HMI

HMI چیست؟

HMI (اچ ام آی) مخفف عبارت Human Machine Interface است و به معناي ارتباط بين انسان و ماشين مي باشد. از آن براي مانيتور كردن و مشاهده و تنظیم پارامترهاي دستگاه هاي صنعتي مثل PLC و اينورتر و…. استفاده میشود.  HMIدر واقع يك مانيتور LCD است كه مي توان آن را برنامه ريزي نمود و همچنين به كمك آن مي توان پارامترهاي مختلف را تغييرداد و سيستم را كنترل نمود.

یک واسط سخت‌افزاری-نرم‌افزاریِ صنعتی است که امکان ارتباط گرافیکی میان کاربر و تجهیزات یا فرایندهای صنعتی را فراهم می‌کند.

با پیشرفت سیستم‌های کنترل صنعتی، وظایف اپراتورها در حال پیچیده‌تر شدن است. بنابراین اپراتورها به ابزار‌های کنترلیِ انعطاف‌پذیرتر و کاراتری نیاز دارند. برای رفع این نیاز، HMI تجهیز بسیار سودمندی است.

تفاوت بین HMI و SCADA

HMI و SCADA (سیستم جمع آوری، مانیتورینگ و کنترل دیتا) ، خیلی به هم شبیه هستند و هر دو بخشی از یک سیستم کنترل صنعتی بزرگتر می باشند، اما هر کدام کاربردهای متفاوتی دارند و امکانات متفاوتی را ارائه می دهند. وظیفه اصلی HMI، ارائه اطلاعات به صورت تصویری به کاربر می باشد تا راحت تر بتواند فرآیند صنعتی را نظارت کند. سیستم SCADA، ظرفیت بیشتری برای جمع آوری دیتا و عملکرد کنترلی بر سیستم دارد. برخلاف سیستم های اسکادا، اچ ام آی اطلاعات فرآیندی را جمع آوری و ثبت نمی کند، بلکه اچ ام آی، یک ابزار ارتباطی بسیار موثر است که به عنوان بخشی از سیستم SCADA و یا در کنار سیستم SCADA مورد استفاده قرار می گیرد.

 HMI ها مانیتورهای صنعتی هستند که میتوانند با بقیه تجهیزات کنترلی ارتباط برقرار کرده و تبادل اطلاعات کنند. شما توسط HMI قادر خواهید بود در هر نقطه از جهان به اطلاعات سیستم کنترل خود دسترسی داشته باشید.
به دلیل اینکه اچ ام آی یک دستگاه صنعتی است در آن مشکلات نویز و هنگ کردن و Reset شدن کمتر بوجود می آید.

همانطور که در شکل می‌بینید، تصویر شبیه‌سازی‌شده تجهیزات و مقادیر اندازه‌گیری‌شده توسط سنسورها روی پنل‌های HMI و در قالب نمادهای گرافیکی و اعداد، قابل مشاهده هستند.

پنل HMI اطلاعات مورد نیاز خود را چگونه و از کجا می‌گیرد؟

شرایط برقراری ارتباط بین دو دستگاه چه از لحاظ رابط سخت‌افزاری و چه از لحاظ نرم‌افزاری و فرمت داده در قالب استانداردهای بین‌المللی مختلفی تعریف می‌شود. برای رساندن اطلاعات به HMI نیز از این استانداردهای ارتباطی استفاده می‌شود. در ساده‌ترین حالت، پنل HMI می‌تواند به یک PLC متصل شود و اطلاعات مورد نیازش را از آن دریافت کند. در شبکه‌های صنعتیِ بزرگ‌تر، تجهیزاتِ صنعتی شامل ماشین‌ها، تجهیزات ابزاردقیق و کنترلرها از طریق یک پروتکل ارتباطی پیشرفته با هم ارتباط برقرار می‌کنند و این اطلاعات می‌تواند در سطوح مختلف اتوماسیون صنعتی، توسط HMI‌ها نمایش داده شده و کنترل شود. بستر ارتباطی بین HMI و PLC غالباً RS232 یا RS485 است. شکل ۲، پورت‌های ارتباطیِ یک پنل HMI را نمایش می‌دهد.

نحوه نصب پنل‌های HMI

در مباحث مربوط به اتوماسیون صنعتی، تجهیزات شبکه اتوماسیون به سطوح چندگانه‌ای دسته‌بندی می‌شوند: سطح فیلد، سطح کنترل، سطح سوپروایزری، سطح برنامه‌ریزی (Planning) و سطح مدیریت (ERP).

در سطوح میانی و پایین اتوماسیون صنعتی (مانند سطوح کنترل و سوپروایزری) معمولاً پنل HMI را روی تابلوهای کنترلی نصب می‌کنند. پنل باید در ارتفاع مناسب برای اپراتور و روی تابلوی کنترلی و نزدیک به PLC‌ها نصب شود. ارتفاع استاندارد برای نصب پنل HMI حدود ۱۶۰ تا ۱۷۰ سانتی‌متر است.

از دیگر نکاتی که هنگام نصب پنل HMI باید در نظر گرفت، حفاظت آن در برابر نفوذ آلودگی‌های محیطی مانند رطوبت، گرد و غبار، چربی و مواد شیمیایی است. استاندارد بین‌المللی IEC سطوح حفاظتی IP را برای تجهیزات صنعتی تعریف کرده است که با توجه به سطح و نوع آلودگی محیطی باید پنل با درجه IP مناسب را انتخاب کرد

در محیط‌های صنعتی، برای HMI معمولاً IP67 در نظر گرفته می‌شود؛ هرچند در صنایع غذایی و دارویی به‌دلیل شست‌وشوی HMI با مواد شوینده شیمیایی، تجهیزاتی با IP69 به‌کار می‌رود. در بعضی محیط‌های صنعتی علاوه‌بر رعایت IP، از درپوشِ مخصوص برای محافظت از HMI استفاده می‌شود.

کاربردهای HMI در صنعت

HMI می‌تواند در محیط‌هایی که در آن از ماشین‌آلات، تجهیزات صنعتی، فرآیندهای پیچیده یا ربات‌های صنعتی مانند ربات‌های جوشکار استفاده می‌شود، به کار گرفته شوند.

در ادامه به چند مورد از موارد کاربرد HMI در صنعت اشاره می‌‌کنیم

این کنسول فضای بزرگی را اشغال کرده و به‌دلیل تعداد کلیدهای پرشمار، کار با آن برای اپراتور بسیار دشوار است. به‌کارگیری HMI می‌تواند استفاده و مانیتورینگ عملکرد ماشین CNC را بسیار بهبود دهد و باعث کاهش خطا، کاهش هزینه، افزایش تولید و کیفیت کارکرد ماشین شود.

فرایند تولید وسایل پلاستیکی به‌دلیل حرارت زیاد و ایجاد گازهای سمّی می‌تواند برای انسان بسیار خطرناک و زیان‌بار باشد. برای فرایندهایی مانند تزریق یا فرم‌دهی پلاستیک، ترکیب HMI با یک PLC می‌تواند همه عملیات مربوط به تنظیم دما، مانیتورینگ محصول و کنترل قطعات مکانیکی را از راه دور انجام دهد.

امکاناتی که HMI برای کاربر فراهم می‌کند

• نمایشگر HMI می‌تواند متغیرهای کمی و کیفی اندازه‌گیری شده توسط سنسورها را به‌صورت لحظه‌ای به کاربر نشان دهد. برای مثال دما، فشار، فلو، وزن، سطح مخازن، شمارش شمارنده‌ها و همچنین کیفیت‌های شیمیایی مانند غلظت و pH سیالات را می‌توان توسط برنامه HMI نمایش داد.
• کاربر می‌تواند از طریق HMI وضعیت تجهیزات پروسه یا فرایند را در هر لحظه مشاهده کند. مثلاً خاموش یا روشن بودن موتورها، المنت‌ها و دیگر تجهیزات، همچنین باز یا بسته بودن ولوها و یا پر و خالی بودن ظرفیت مخازن توسط اپراتور قابل مشاهده است.
• سیستم HMI با نمایش آلارم می‌تواند خطاها و ایرادات پروسه را جهت رسیدگی و حفاظت از تجهیزات به کاربر اعلام کند.
• تاریخچه نحوه عملکرد پروسه در زمان‌های پیشین را می‌توان از طریق HMI مشاهده کرد.
• از HMI می‌توان به‌عنوان جایگزین کلیدها و پوش‌باتن‌ها (شستی‌ها) استفاده کرد و فرمان‌های قطع و وصل را از طریق پوش‌باتن‌های نرم‌افزاری در پنل HMI صادر کرد.
• پارامترهای کنترلر و متغیرهای پروسه را می‌توان به‌وسیله HMI تغییر داد. برای مثال فرکانس درایوهای الکتریکی (VFD)، دمای المنت‌ها و حتی پارامترهای کنترلی مانند ضرایب PID را می‌توان با HMI تغییر داد.

مزایای استفاده از HMI

• استفاده از HMI نسبت به پنل‌های اپراتوری قدیمی بسیار آسان‌تر است.
• کارایی و عملکرد اپراتور هنگام کار با HMI بسیار مؤثرتر و دقیق‌تر است.
• HMI با فراهم کردن امکان کنترل از راه دور تجهیزات، امنیت محیط کار را برای افراد افزایش می‌دهد.
• دسترسی سریع به اطلاعات پروسه و امکان واکنش سریع و مؤثر توسط HMI موجب افزایش ضریب اطمینان عملکرد ماشین‌آلات می‌شود.
• خطاهای اپراتوری با استفاده از HMI کاهش می‌یابد.
• استفاده از HMI باعث کاهش خرابی و از کار افتادن ماشین‌آلات شده و به کاهش هزینه و افزایش بهره‌وری کمک می‌کند.
• عیب‌یابی و تعمیر تجهیزات با استفاده از اطلاعات نمایش داده شده توسط HMI آسان‌تر و سریع‌تر می‌شود.

عوامل مهم در انتخاب HMI مناسب

هنگام انتخاب HMI برای یک پروسه صنعتی باید چند عامل را مورد توجه قرار داد:

• سازگاری: بسیار مهم است که HMI با سیستم کنترلی، پروتکل ارتباطی و فرمت اطلاعات سازگاری داشته باشد. 
• مقاومت سخت‌افزار: سخت‌افزار HMI باید برای مدت طولانی مورد استفاده قرار گیرد. بنابراین باید بسته به محل به کارگیری، در برابر شرایط محیطی مانند دمای بالا، رطوبت و لرزش مقاومت کافی داشته باشد.
• نمایشگر: صفحه نمایشگر HMI باید پاسخ لمسی روان داشته و از وضوح و روشنایی کافی برای استفاده در محیط‌های پر نور برخوردار باشد.
• استفاده آسان: کار با پنل HMI باید ساده و روان و قابل فهم برای اپراتور با هر سطحی از تخصص طراحی شده باشد.
• مصوّرسازی اطلاعات: نرم‌افزار HMI باید قابلیت به تصویر کشیدن اطلاعات به‌صورت گرافیکی، واضح و قابل فهم برای کاربر را دارا باشد.
• توسعه‌پذیری: در زمان انتخاب HMI باید احتمال توسعه و تغییر پروسه پیش‌بینی شود تا در صورت نیاز بتوان برنامه HMI را متناسب با تغییرات پروسه توسعه داد. مثلاً حافظه، قدرت پردازشگر و اندازه نمایشگر HMI باید امکان دریافت برنامه سنگین‌تر را داشته باشد.
• خدمات مشتری: پس از خرید HMI ممکن است نیازمند ارائه خدمات از شرکت سازنده مانند قطعات یدکی، آپدیت نرم‌افزار برنامه‌ریزی و مشاوره فنی باشیم. بنابراین باید از تولیدکننده‌ای HMI را خریداری کنیم که پس از فروش، خدمات سخت‌افزاری و نرم‌افزاری مناسب و همچنین اسناد کافی (راهنمای استفاده، مشخصات فنی، …) را به خریدار ارائه دهد.
• هزینه: استفاده از HMI هزینه خرید و راه‌اندازی را به کاربر تحمیل می‌کند. هنگام انتخاب HMI باید توجه کرد که مزایای استفاده از HMI پس از زمان معقولی هزینه‌های انجام شده را جبران کند. بنابراین، HMI باید به نسبت کاراییِ مورد نیاز، قیمت مناسب و بازگشت سرمایه سریعی داشته باشد.

دسته‌بندی HMI از لحاظ سطح کاربری

پنل های HMI از لحاظ سطح کاربری به سه دسته جایگزین پوش‌باتن، مدیریت داده و ناظر دسته‌بندی می‌شوند. در ادامه هر یک از این سطوح کاربری را شرح می‌دهیم.

HMI جایگزین پوش‌باتن (Pushbutton Replacer)

این نوع HMI به‌عنوان جایگزین همه کلیدهای فرمان، LEDها، سوییچ‌ها و برخی فرمان‌های مکانیکی به‌کار گرفته می‌شود و امکان متمرکز کردن فرمان‌های اپراتوری را در یک مکان مشخص به کاربر می‌دهد.

همان‌طور که در شکل دیده می‌شود، فرمان‌های قطع و وصل به‌صورت نرم‌افزاری در برنامه HMI تعریف شده و وضعیت هر بخش از ماشین با استفاده از رنگِ هر کلید قابل تشخیص است.

HMI مدیریت داده (Data Handler)

این نوع HMI برای گرفتن فیدبک از متغیرهای پروسه و یا گزارش عملکرد آن مناسب است. HMI مدیریت داده، باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا بتواند نمودارها، نمادهای گرافیکی و عملکرد بخش‌های مختلفِ تولید را به‌درستی نمایش دهد. این نوع HMI قابلیت نمایش نمودارِ روند تغییرات و همچنین ثبت اطلاعات و اعلام اخطار (آلارم) را دارد. بنابراین باید حافظه بالایی داشته باشد.

HMI ناظر (Overseer)

 این نوع HMI بیشتر در پروسه‌های صنعتی بزرگ و سیستم‌های مانیتورینگ پیشرفته مانند SCADA به‌کار می‌رود. SCADA یک سیستم متمرکز مانیتورینگ است که برای کنترل و مانیتورینگ پروسه‌های پیچیده با ابعاد وسیع استفاده می‌شود. HMI ناظر، معمولاً به پایگاه داده و نرم‌افزار SCADA متصل شده و ثبت روند عملکرد سیستم، مدیریت اطلاعات و عیب‌یابی پروسه از طریق آن انجام می‌شود. این نوع HMI غالباً با سیستم عامل ویندوز کار می‌کند و مجهز به پورت Ethernet برای اتصال به شبکه است.

نرم‌افزارهای طراحی و برنامه‌ریزی HMI

هر برند برای طراحی برنامه HMI از نرم‌افزار مخصوص به خود استفاده می‌کند. در این نرم‌افزارها، طراحی گرافیکی HMI و همچنین آدرس‌دهی مربوط به اجزای طراحی شده انجام می‌شود. به این معنی که هر نماد گرافیکیِ طراحی شده به آدرس مربوط به خود در برنامه PLC مرتبط می‌شود. برای مثال، فرض کنید یک PLC برای کنترل سطح یک مخزن، خروجی سنسور سطح‌سنج مخزن را از طریق کارت‌های ورودی خود دریافت می‌کند. اگر قرار باشد سطح این مخزن به‌صورت گرافیکی در HMI نمایش داده شود، بایستی آدرس ورودی مربوطه در برنامه PLC، برای HMI تعریف شود تا نمایشگر HMI با دسترسی به این ورودی، سطح مخزن را در قالب یک نماد گرافیکی نمایش دهد.

  HMIها در چند مورد قابل تقسیم بندی هستند یکی از انها نوع کار کردن با ان است که در ۲ حالت لمسی (Touch HMI) و تکست پنل (Text Panel) قابل تنظیم است که البته نوع لمسی ان که بیشتر با نام TOUCH PANEL شناخته میشود هم حرفه ای تر و هم گران تر است و در نوع TEXT PANEL در موارد ساده تر مورد استفاده قرار میگیرد و البته به لحاظ قیمتی نیز ارزانتر است.

HMI  به لحاظ اندازه:

HMI ها در اندازه های مشخص و مختلف به بازار عرضه میشود.اندازه ها به این ترتیب است.

•  ۲ اینچ TEXT PANEL
• 7/3  اینچ TEXT PANEL
• 3/4 اینچ TOUCH PANEL
•  5 اینچ TOUCH PANEL
•  7 اینچ TOUCH PANEL
• 8 اینچ TOUCH PANEL
•  10 اینچ TOUCH PANEL
• 12  اینچ TOUCH PANEL
• 1۵ اینچ TOUCH PANEL

.

قیمت HMI:

عوامل بسیار متعددی در قیمت HMI تاثیرگذار هستند؛ از جمله:

• برند
• اندازه و تکنولوژی صفحه نمایشگر
• قابلیت‌های سخت‌افزاری مانند حافظه و پردازشگر
• قابلیت‌های نرم‌افزاری مانند سیستم عامل و پشتیبانی از پروتکل‌های شبکه
• درجه IP

قیمت برندهای آسیایی مانند دلتا بسیار مقرون‌به‌صرفه است؛ هرچند در کاربردهای حساس و پروسه‌های پیچیده برندهای گران‌قیمت‌تر مانند زیمنس از قابلیت اطمینان بالاتری برخوردارند.

جمع‌بندی

در این مقاله، علاوه‌بر معرفی HMI، کاربرد، مزایا و همچنین نحوه ارتباط آن با PLC، برندهای معتبر و همچنین نرم‌افزار‌های HMI را برای هر یک از این برندها معرفی کردیم. 

با توجه به آنچه گفته شد، آشنایی با HMI برای فعالان حوزه صنعت اجتناب‌ناپذیر است. با ورود نوآوری‌های جدید به صنعت اتوماسیون، انتظار می‌رود استفاده از HMI در نسل بعدی پروسه‌های صنعتی اهمیت بیشتری پیدا کند. از این رو، لازم است مدیران شرکت‌های صنعتی ضمن توجه به استفاده از قابلیت‌های HMI اقدام به آموزش نیروی انسانی برای به‌کارگیری مؤثر این تجهیزات کنند. مهندسین و تکنسین‌های حوزه اتوماسیون نیز می‌توانند با یادگیری مهارتِ کار با HMI گام بلندی در پیشرفت شغلی خود بردارند.