W kontekście przemysłowym interfejs człowiek-maszyna (HMI) umożliwia operatorowi interakcję z maszyną lub procesem. Pokazuje stan maszyny i umożliwia operatorowi wprowadzanie poleceń.Interfejs HMI można jednak wdrożyć na wiele sposobów, przy użyciu bardzo różnych poziomów technologii.

Druga rewolucja przemysłowa – trwająca od 1870 do około 1970 roku – przyniosła masową produkcję z wykorzystaniem energii elektrycznej. W tym środowisku interfejsy HMI składały się z wyświetlaczy, analogowych mierników panelowych, przełączników i przycisków. Jednak nadejście trzeciej rewolucji przemysłowej, od około 1970 roku, oznaczało, że produkcja stała się zautomatyzowana. Operatorzy musieli zrozumieć i reagować na stan dużej liczby elementów instalacji oraz ich wzajemne interakcje w czasie rzeczywistym.

Oznaczało to, że reprezentowanie każdej zmiennej instalacji za pomocą dyskretnych urządzeń, takich jak przełączniki i lampy, nie było już praktyczne, ponieważ ich liczba szybko przekroczyłaby zarówno możliwości panelu sterowania, jak i operatora. W każdym razie ilość dostarczanych informacji była poważnie ograniczona, a przede wszystkim konstrukcja panelu sterowania była całkowicie nieelastyczna.

Odpowiedzią było zebranie wszystkich wyjść czujników instalacji na kineskopie lub, gdy stały się one dostępne, na płaskim wyświetlaczu. Operatorzy mogli reagować na wyświetlany stan instalacji za pomocą klawiatury i myszy lub, od niedawna, ekranu dotykowego. Należy zauważyć, że nie wyeliminowało to całkowicie dyskretnych komponentów wejść i wyjść (I/O), które w rzeczywistości nadal odgrywają rolę obok bardziej zaawansowanych rozwiązań HMI. Jednak cyfryzacja i rozwój Przemysłu 4.0 od około 2014 roku oznaczały, że proste rozwiązania z płaskimi panelami stały się niewystarczające. Z różnych powodów, które przeanalizujemy, środowiska Przemysłu 4.0 generują ogromne ilości danych, które muszą być prezentowane operatorom w łatwo przyswajalnych formatach. Muszą oni otrzymywać informacje, a nie dane. Operatorzy muszą również reagować w bardziej zniuansowany i wyrafinowany sposób. Wszystko to oznacza, że chociaż większość interfejsów HMI nadal opiera się na płaskich wyświetlaczach, ich sprzęt, oprogramowanie i moc obliczeniowa znacznie różnią się od tych sprzed, powiedzmy, 20 lat. Systemy z płaskimi panelami to już nie wszystko; niektóre aplikacje korzystają obecnie z technologii rzeczywistości rozszerzonej (AR) i rzeczywistości wirtualnej (VR).

W związku z tym przyjrzymy się teraz naturze i ilości danych generowanych przez instalacje Przemysłu 4.0, dlaczego stanowi to wyzwanie dla projektowania HMI oraz dostępnych obecnie rozwiązań programowych i sprzętowych, aby sprostać temu wyzwaniu. Dokonamy również przeglądu najnowszych trendów związanych z AR i VR oraz ich wpływu na projektowanie HMI.

Przemysł 4.0 i związane z nim duże ilości danych

Termin Przemysł 4.0 został po raz pierwszy wprowadzony w 2011 roku przez niemieckich naukowców w celu promowania postępów w dziedzinie sztucznej inteligencji i automatyzacji produkcji w porównaniu z wcześniejszymi technologiami. Określany również jako czwarta rewolucja przemysłowa, 4IR lub inteligentna produkcja, opiera się na wynalazkach trzeciej rewolucji przemysłowej – lub rewolucji cyfrowej – która przyniosła nam komputery, bardziej funkcjonalną elektronikę, Internet i wiele więcej. Przemysł 4.0 wykracza poza dotychczasowe możliwości dzięki kilku podstawowym rodzajom przełomowych technologii, które mogą być stosowane w całym łańcuchu wartości:

Łączność, dane i moc obliczeniowa: Technologia chmury, Przemysłowy Internet Rzeczy (IIoT), blockchain, inteligentne sieci, urządzenia brzegowe.

Systemy autonomiczne pracują nad określonymi zadaniami autonomicznie, bez interakcji z człowiekiem, wykorzystując algorytmy sztucznej inteligencji. W produkcji systemy autonomiczne mogą zbierać informacje z otaczającego środowiska, dostosowywać się i podejmować decyzje oparte na danych bez interwencji człowieka.

Zaawansowana robotyka to systemy, które łączą zaawansowanie sprzętowe robotów z inteligentnymi czujnikami (np. ultradźwiękami, czujnikami światła, czujnikami dotyku itp.), co ułatwia ich szkolenie w zakresie wykonywania powtarzalnych i nie powtarzalnych zadań w środowisku produkcyjnym.

Analityka produkcji: Do analizy danych zebranych z procesów produkcyjnych i podejmowania opartych na danych decyzji dotyczących produktów, procesów, zapasów i aktywów, a także wnioskowania o potrzebach klientów i trendach rynkowych. Zaawansowana analityka w systemach konserwacji predykcyjnej może skrócić czas przestoju sprzętu o 50% i zwiększyć produkcję o 20%.

Interakcja człowiek-maszyna: Rzeczywistość wirtualna (VR) i rzeczywistość rozszerzona (AR), robotyka i automatyzacja, autonomiczne pojazdy sterowane, symulacje takie jak cyfrowe bliźniaki.

Zaawansowana inżynieria: Produkcja addytywna (np. druk 3D), energia odnawialna, nanocząsteczki.

Rozwiązania z zakresu cyberbezpieczeństwa mają na celu ochronę danych biznesowych, w tym procesów produkcyjnych, zapasów, aktywów, kosztów i danych klientów.Celem Przemysłu 4.0 jest poprawa produkcji, redukcja kosztów i optymalizacja procesów poprzez tworzenie inteligentnych maszyn i systemów produkcyjnych, które są połączone, zautomatyzowane i dokładnie analizowane.

Wpływ danych Przemysłu 4.0 na interfejsy HMI

Jeśli weźmiemy pod uwagę te czynniki, zobaczymy, że terminal HMI Przemysłu 4.0 – i jego operator – będzie narażony na znacznie wyższy poziom przychodzących danych niż tradycyjny rozproszony system sterowania (DCS), system kontroli i akwizycji nadzoru (SCADA) lub terminal HMI z programowalnym sterownikiem logicznym (PLC).

Po pierwsze, ilość sprzętu różnych typów i różnorodnych aplikacji, które muszą być obecnie zarządzane, jest znacznie większa. Po drugie, ilość danych generowanych przez każdą maszynę może być znacznie większa. Przykładowo, maszyna, która niegdyś przekazywała w czasie rzeczywistym dane o swojej przepustowości i bieżących warunkach pracy, może teraz dostarczać dalszych danych o stanie, związanych na przykład z temperaturą silnika i wibracjami, aby informować o analizach konserwacji predykcyjnej. Producent interfejsów HMI i komputerów wbudowanych, firma Advantech, postrzega łączność i Big Data jako kluczowe kwestie w projektowaniu interfejsów HMI dla Przemysłu 4.0:”W inteligentnej produkcji wymagana jest większa liczba funkcji kontrolnych do przetwarzania większej złożoności danych i większych ilości danych. Interfejsy HMI muszą obsługiwać protokoły komunikacyjne nowej generacji, aby zapewnić stabilność i natychmiastową transmisję danych między sterownikami PLC”.” Co więcej, analiza dużych zbiorów danych jest cenionym atutem przy opracowywaniu strategii transformacji cyfrowej, więc pozyskiwanie danych ma kluczowe znaczenie dla produkcji i operacji fabrycznych.