Panele operatorskie HMI

W praktyce panele operatorskie przybierają formę płaskich powierzchni z przełącznikami, pokrętłami, przyciskami i licznikami, a nowoczesne urządzenia są wyposażone w ekrany dotykowe.

Najważniejszym zadaniem paneli operatorskich jest pośredniczenie w wymianie informacji między człowiekiem a maszyną dzięki przekazywaniu i odbieraniu sygnałów. Zbierane są przy tym dane (np. z pomiarów) powstające przy kontrolowaniu procesów. Oprócz tego wizualizowany jest stan procesów, odbywa się sterowanie a operator zyskuje informacje o występujących alarmach.

Dodatkowo panele operatorskie zapewniają szereg możliwości w zakresie raportowania, analizowania trendów i rejestrowania danych, np. na potrzeby systemu MES. Wiele paneli operatorskich współpracuje bezpośrednio ze sterownikami PLC, drukarkami, konwerterami transmisji itp. Nowoczesne panele operatorskie bazują na ekranach dotykowych, natomiast specjalne oprogramowanie służy do ich parametryzowania i obsługi aplikacji.

W Polsce geneza projektowania aplikacji z panelami operatorskimi sięga połowy lat 50. XX w. Wtedy coraz częściej wykorzystywano urządzenia odzwierciedlające stan pracy maszyn i urządzeń. Pierwotnie były to statyczne tablice synoptyczne z sygnalizatorami i rejestratorami. W latach 70. w tablicach synoptycznych zaczęto implementować systemy wspomagające pracę operatora. Z kolei komputerowe systemy wspomagania umożliwiały już generowanie komunikatów tekstowych. Ich zaawansowana funkcjonalność skutecznie monitorowała procesy technologiczne, zwiększała poziom bezpieczeństwa realizacji procesów oraz skracała czas reakcji na zmiany zachodzące w procesie.

Panel operatorski Simatic HMI KP400 Basic color PN jest wyposażony w osiem przycisków funkcyjnych i klawiaturę alfanumeryczną. Przydatną funkcjonalność w urządzeniach tego typu stanowi system alarmowania, możliwość zarządzania recepturami, wybór wersji językowej czy generowanie krzywej trendu. Panel może być konfigurowany za pomocą platformy TIA Portal za pomocą oprogramowania WinCC V11 Basic.

Z kolei panel WOP-2121V firmy Advantech bazuje na procesorze ARM9 200 MHz, systemie operacyjnym HMI RTOS oraz ekranie dotykowym o przekątnej 12,1˝ przy rozdzielczości SVGA. Pamięć flash ma pojemność 16 MB natomiast pamięć o pojemności 128 kB jest podtrzymywana bateryjnie. Do wykorzystania są interfejsy komunikacyjne COM1: RS-232/422/485 (DB9 gniazda), COM2: RS-232/422/485 (DB9 gniazda lub złącze 5 pinów), COM3: RS-232 (złącze 6 pinów), a także Ethernet 10/100-BaseT i USB Client. Panel frontowy ma stopień ochrony IP65. Urządzenie jest odporne na wibracje o wartości 1 Grms (5–500Hz). Napięcie zasilania to  24 V DC (moc 25 W).

Cechy paneli operatorskich

Nowoczesne panele operatorskie umożliwiają szybkie przełączenie między trybami HMI a HMI-PLC. Zdalna obsługa urządzenia może odbywać się poprzez dowolną przeglądarkę internetową. W oferowanych na rynku panelach operatorskich ważne są szerokie możliwości w zakresie komunikacji z innymi urządzeniami a w razie potrzeby urządzenie można rozbudować. Stąd też przy wymianie danych zastosowanie znajdują np. porty RS-232/485 (Modbus), CANopen, USB czy Ethernet. Do wykorzystania są również bogate biblioteki protokołów komunikacyjnych, co umożliwa współpracę z różnymi urządzeniami – sterowniki PLC, falowniki, zasilacze itp.

Odpowiednie panele operatorskie dobiera się uwzględniając warunki pracy, np. właściwe urządzenia znajdą zastosowanie w przemyśle spożywczym – obudowa wykonana ze stali nierdzewnej czy klawiatura membranowa.

Na rynku nie brakuje również paneli z funkcją tworzenia lokalnych sieci. Niektóre urządzenia komunikują się z nadrzędnym systemem SCADA obsługując przy tym standardy OPC i OPC A&E. Ważny jest tutaj stabilny przesył danych do aplikacji bazodanowych z jednoczesnym generowaniem raportów udostępnianych w sieci.

Proste panele operatorskie mają klawiatury. Urządzenia tego typu znajdują zastosowanie w aplikacjach nie wymagających udostępniania dużej ilości informacji. Panel operatorski Array SH-300 jest prostym urządzeniem oferowanym przez firmę Telmatik. Jest to programowalne urządzenie z graficzno-znakowym podświetlanym wskaźnikiem LCD. Do dyspozycji jest 20 programowalnych przycisków ,a za komunikację odpowiadają porty komunikacji RS-232, RS-422 i RS-485. Panel obsługuje protokół Modbus.

Z kolei nowoczesne panele operatorskie wykorzystują kolorowe ekrany dotykowe. Przydatnym rozwiązaniem są panele mobilne wykorzystujące bezprzewodowe technologie wymiany danych. Wielu producentów paneli udostępnia szereg narzędzi programistycznych – obsługa liczb zmiennoprzecinkowych, zegar czasu rzeczywistego, przechowywanie alarmów itp., a zdarzeniom można przypisać odpowiednie obiekty graficzne. Makra programowe operacji warunkowych i sekwencyjnych pozwalają na obsługiwanie wejść/wyjść oraz zapisywanie wybranych danych do pliku. Ponadto można sterować nieskomplikowanymi procesami technologicznymi bezpośrednio z panelu i nie ma przy tym potrzeby wykorzystywania sterownika PLC. Przydatny jest symulator oprogramowania pracujący zarówno w trybie on-line jak i off-line. To drugie rozwiązanie zapewni testowanie aplikacji pod kątem działania ekranów, z kolei tryb online pozwoli sprawdzić poprawność komunikacji z urządzeniami zewnętrznymi.

Panel operatorski HMI Delta Electronics DOP-W157B o przekątnej 15˝ i rozdzielczości 1024 × 768 px zaprojektowano z myślą o zaawansowanych systemach sterowania i  kontrolowaniu procesów technologicznych. Warto zwrócić uwagę na trwałość urządzenia – do 100 tys. h pracy. Panel ma procesor ARM Cortex-A8 (1 GHz), system operacyjny Windows CE, pamięć Flash o pojemności 256 MB, a także dwa porty Ethernet, złącze SD oraz trzy porty USB. Przyda się również wbudowany głośnik, wejście na mikrofon oraz wyjście audio.

Ciekawym produktem są panele serii iE firmy HMI Weintek. Mają one wejście USB, które można użyć chociażby do załadowania programu z dysku FlashUSB lub do podłączenia innego urządzenia peryferyjnego. Za pracę panelu odpowiada procesor 32bit Cortex A8 CPU 600 MHz.

Panele mobilne

Mobilne panele operatorskie do przesyłu danych wykorzystują technologie bezprzewodowe i używają przy tym punktów dostępowych, w zasięgu których odbywa się praca. Odpowiednie rozwiązania programowe zabezpieczają urządzenie w przypadku, gdy operator znajdzie się poza zasięgiem sieci. Ciągłość przesyłu danych jest zapewniona dzięki szybkiemu przełączaniu między punktami dostępowymi a transponderami. Należy podkreślić, że panele mobilne bardzo często stosuje się w ładowarkach kołowych, wózkach widłowych oraz w innych aplikacjach, gdzie nie ma możliwości zastosowania połączenia kablowego. Niektóre panele operatorskie tego typu mają wyłącznik bezpieczeństwa.

Programowanie panelu operatorskiego

Panele HMI parametryzuje się za pomocą specjalnego skalowalnego oprogramowania. Typowy program tego typu ma listę driverów do paneli HMI, sterowników oraz innych urządzeń i komponentów, które można dodać do projektu. Dzięki odpowiednim przyciskom wykonuje się kompilację, symulację i ładowanie programu. Właściwe zakładki pozwalają na gromadzenie wszystkich plików składających się na projekt – makra, bitmapy, instrukcje, schematy itp. Szereg bloków funkcjonalnych umożliwia tworzenie okien dialogowych. Oprócz tego konfiguruje się odpowiednie okna przeznaczone do informowania o błędach występujących przy kompilacji.

Niektóre programy wizualizacyjne wykorzystują tzw. kafelki będące zdefiniowanymi wcześniej elementami graficznymi interfejsu graficznego o określonych właściwościach – prefiksy, sufiksy, statuty błędów itp. Można łatwo łączyć zmienne procesowe dzięki automatycznemu odfiltrowaniu, eliminując przy tym konieczność ręcznego tworzenia zmiennych.

Warto wspomnieć o dostępie do wielu platform przy wykorzystaniu różnych urządzeń końcowych przez przeglądarkę internetową (format HTML5) z poziomu komputera, tabletu czy smartfonu. Skorzystać można z funkcji klient/serwer, co pozwala na zdalną konserwację bez względu na stan działania systemu.

Inżynierowie tworzący aplikacje do zarządzania procesami produkcyjnymi stawiają na rozwiązania modułowe, dzięki czemu system jest ściśle dopasowany do potrzeb klienta. Przykładowo, w jednej aplikacji wystarczające będzie wizualizowanie przebiegu procesu technologicznego z wyświetlaniem alarmów a inny system będzie wymagał szaawansowanej funkcjonalności pozwalającej na raportowanie i analizowanie danych w trybie on-line. W praktyce zwraca się uwagę, że wdrożony system modułowy można rozszerzyć o dodatkowe funkcje na każdym etapie użytkowania. Tym sposobem elastyczność aplikacji i łatwe dopasowanie do konkretnych potrzeb technologicznych to kierunek rozwoju systemów wizualizacyjnych.

System zdalnego dostępu do panelu operatorskiego HMI oferuje m.in. firma Weintek. System współpracuje z seriami urządzeń iE, XE, eMT, interfejsami mTV oraz serwerami cMT. Nie jest przy tym wymagana konfiguracja sieci lokalnej. Oprócz tego wspiera się PROXY, zdalny system VPN oraz zdalny pulpit VNC. System obsługuje tryb Pass-through i cMT Viewer oraz umożliwia ustawianie poziomów dostępu – administratorzy, grupy, użytkownicy itp.

Z kolei panele HMI firmy Kinco są programowane za pomocą darmowego oprogramowania HMIware. Interfejs programu ma wersję angielską, ale jego obsługa jest intuicyjna i prosta.

Sterownik z panelem

W praktyce przemysłowej nie brakuje aplikacji bazujących na sterownikach z wbudowanym panelem operatorskim. Zaletą rozwiązań tego typu jest prosta instalacja eliminująca okablowanie między sterownikiem a panelem. Nie mniej ważne są przy tym niższe koszty inwestycyjne, natomiast w szafie sterowniczej wymaga się mniej przestrzeni montażowej. Mimo połączonej funkcjonalności sterowniki ze zintegrowanym panelem operatorskim umożliwiają łatwą rozbudowę grafiki. Do dyspozycji użytkownika są klawisze funkcyjne i systemowe. Przydatne rozwiązanie stanowią porty sieciowe CsCAN, przeznaczone do łączenia urządzeń w sieć.

Aplikacje wykorzystujące sterowniki z wbudowanym panelem operatorskim mają jednak swoich przeciwników. Jeżeli panel nie jest odrębnym podzespołem sterownika i ulegnie uszkodzeniu, to przy jego naprawie trzeba zatrzymać proces. Jeżeli dojdzie do konieczności wymiany sterownika wraz z panelem operatorskim, to koszt takiej naprawy może być duży. Oprócz tego niejednokrotnie zdarza się, że pracujące wcześniej urządzenie producent zastąpił nowszą wersją i może być konieczna zmiana oprogramowania.

Elmark Automatyka oferuje m.in. sterowniki z panelem operatorskim Vision1040 firmy Unitronics. Kolorowy panel (16 bitów, 65 tys. kolorów) jest dotykowy i ma przekątną 10,4˝, przy czym można zaprogramować do 1024 ekranów. Pamięć aplikacji wynosi 2 MB, 32 MB na wizualizację oraz 1 MB na czcionkę. Rozdzielczość panelu to 800 × 600 pikseli (SVGA). Do dyspozycji są 2 porty komunikacyjne izolowane RS-232/RS-485 i port ethernetowy (opcja). Oprócz tego można wykorzystać komunikację Modbus IP i Ethernet TCP/IP. Urządzenie obsługuje protokoły Modbus RTU i  CANbus, modemy GSM/GPRS oraz 20 pętli regulatora PID.

Komputery przemysłowe

Komputery przemysłowe stosowane w systemach automatyki stanowią kompaktowe i lekkie urządzenia o dużych możliwości, przy niskim poziomie zapotrzebowania na energię elektryczną. W wielu aplikacjach wykorzystywane są urządzenia o podwyższonej odporności na działanie skrajnych warunków środowiskowych – niską i wysoką temperaturę pracy, dużą wilgotność powietrza, obecność wibracji, duże zapylenie itp. 
Stąd też niektóre urządzenia nie mają wentylatorów przeznaczonych do chłodzenia płyty głównej i procesora. Bardzo często chipset integruje się z kartą graficzną i sieciową oraz kontrolerem dysków.

Dla przemysłu oferuje się specjalne laptopy, a w wielu modelach zastosowanie znajdują wodoodporne klawiatury. Systemy odprowadzania cieczy zapewnią bezpieczeństwo nawet w przypadku zalania klawiszy, a dzięki specjalnym rozwiązaniom konstrukcyjnym porty i napędy mają skuteczną ochronę. Większość laptopów przemysłowych może współpracować ze stacjami dokującymi. Z kolei twardy dysk jest chroniony dzięki wyjmowanej kieszeni antywstrząsowej.

Przydatnym rozwiązaniem jest antyrefleksyjny ekran dotykowy zapewniający dobrą widoczność, również przy działaniu silnego światła słonecznego. Urządzenie może pracować w szerokim zakresie temperatury (np. od –20 °C do 55 °C). Dla zapewnienia wytrzymałości urządzenia niektóre obudowy komputerów są wykonywane ze specjalnych stopów miedzi. W wykonaniu przemysłowym oferuje się również pamięci przenośne z obudowami metalowymi o znacznej wytrzymałości mechanicznej.

Warto wspomnieć o smartfonach zaprojektowanych do pracy w trudnych warunkach środowiskowych. Urządzenia tego typu doskonale sprawdzają się przy diagnostyce maszyn. Niektóre z nich mają wysoki poziom odporności na wstrząsy i uszkodzenia mechaniczne, a ekran dotykowy może być obsługiwany w rękawicach roboczych.

W wersji przemysłowej oferowane są również tablety PC. Dzięki technologii NFC można śledzić produkty bez konieczności skanowania kodów paskowych. Przydatne rozwiązanie stanowi bezdotykowy system uwierzytelnienia.

Wybór paneli operatorskich

Wybierając panel operatorski trzeba pamiętać, że każdy proces technologiczny jest inny, zatem różna będzie liczba i funkcjonalność alarmów. Istotne są właściwe założenia względem hierarchii ważności alarmów oraz ich dostępności na interfejsie głównym programu wizualizacyjnego. W wielu aplikacjach przydatna będzie funkcja podsumowania występujących alarmów. Oprócz tego alarmami można zarządzać uwzględniając różne kryteria grupowania.

Obecnie największym uznaniem cieszą się panele dotykowe umożliwiające zarówno wizualizację procesu jak i obsługę jego parametrów. Nowoczesne urządzenia zapewniają pracę z zaawansowaną grafiką. Warto zadbać o to, aby rozmiar (matryca) panelu była optymalnie dobrana do aplikacji zapewniając odpowiednią prezentację grafiki programu wizualizacyjnego. Jednak trzeba pamiętać, że nie we wszystkich aplikacjach jest potrzebny panel z dużą matrycą o bardzo wysokiej rozdzielczości.

Na etapie wyboru odpowiedniego panelu należy zadbać o możliwości komunikacyjne przez obsługę wielu standardów i protokołów komunikacyjnych. Oprócz tego wybierając panele operatorskie stawia się na elastyczność zastosowania m.in. dzięki uniwersalności obiektów wizualizacyjnych. W efekcie wraz z zainstalowaniem programu szablony i elementy konstrukcyjne pozwalają na tworzenie optymalnych narzędzi raportowania i analizowania na różnych etapach przebiegu procesu. Unika się więc systemów wizualizacyjnych z mniejszymi podsystemami i rozłącznym analizowaniem danych.

Warto zadbać o jednorazową analizę danych. Chodzi tutaj o wyeliminowanie operacji, które będą wykonywane wielokrotnie – np. analizowanie danych na potrzeby menedżerów i operatorów. W takim przypadku ponowna analiza zebranych danych może być wykonywana, ale tylko w sytuacji gdy trzeba uzyskać inne dane wyjściowe.

Panel operatorski MT6500T z oferty firmy WObit ma procesor PXA270 RISC CPU i system operacyjny Windows CE OS. Urządzenie zaprojektowano z myślą o pracy w zaawansowanych systemach automatyki i rozwiązaniach klasy BMS. Do wymiany danych można wykorzystać porty: USB, RS-232/RS-485, karty SD. Oprócz tego urządzenie obsługuje zewnętrzne pamięci flash.

W ofercie firmy Aniro dostępne są panele HMI o przekątnej 7˝ (17,7 cm) – eXP40-TTA, 10,2˝ (25,9 cm) – eXP60-TTA. Urządzenia bazują na procesorze 454MHz i pamięci 64 MB. Ekran, który ma rozdzielczość 800 × 600 px może obsłużyć ponad 65 tys. kolorów. Interfejsy komunikacyjne to Ethernet, RS-485 i RS-422. Na obudowie umieszczony jest port miniUSB. Panele tego typu są przystosowane do współpracy z urządzeniami firm m.in.: Omron, Mitshubishi, Panasonic, Fuji, Lenze, Schneider Electronic, Delta, SIEMENS, Rockwell, LSIS, Beckhoff, Parker, FATEC.

Kierunki rozwoju paneli operatorskich

Kierunki rozwoju paneli operatorskich w dużej mierze są efektem rozwoju technologii komputerowych. Zastosowanie znajdują nie tylko coraz szybsze procesory, ale również pamięci i dyski o dużych pojemnościach. Oprócz tego stawia się na elastyczne i funkcjonalne oprogramowanie użytkowe oraz szerokie możliwości w odniesieniu do protokołów komunikacyjnych.

Systemy zamknięte tracą uznanie na rzecz rozwiązań elastycznych ze stabilną wymianą danych z urządzeniami różnych producentów. Nie mniej ważne jest zapewnienie dostępu do sterowników wielu urządzeń. Przydatne rozwiązania stanowią panele z wbudowanymi serwerami VNC i EasyAccess, dzięki którym jest możliwy zdalny dostęp z dowolnego komputera.

Sterownik XL4e Horner oferowany przez firmę Astor bazuje na wbudowanym ekranie dotykowym przekątnej 3,5˝ (320 × 240 px) z  podświetleniem LED. W urządzeniu producent przewidział zintegrowane interfejsy komunikacyjne umożliwiające pracę w sieciach szeregowych. Jako wyposażenie dodatkowe mogą być zastosowane moduły GPRS oraz Profibus DP. Użytkownik ma możliwość zmiany wyglądu sterownika przez dodanie logotypu firmy oraz zmianę koloru obudowy lub opisów funkcyjnych.

Firma Inwert oferuje m.in. dotykowe panele operatorskie Hakko Electronics. W zależności od wersji mają one przekątne ekranu: 5,7˝, 7,7˝, 8,4˝, 10,4˝, 12,1˝ oraz 15˝ przy rozdzielczościach 320 × 240, 640 × 480, 800 × 600 i 1024 × 768 i kolorach mono, 8 szarości, 16, 128 i 32 768. Urządzenia tego typu mogą być podłączone do Ethernetu i wyświetlać obraz z kamer wideo (do czterech). Na uwagę zasługuje możliwość współpracy z szeroką gamą sterowników PLC oraz różnymi modelami kontrolerów temperatury i falowników. Do wykorzystania są interfejsy RS-232, RS-422/485, Centronix, 10BaseT i USB (master i slave).

Podsumowanie

Dzięki panelom operatorskim, jakie znajdują zastosowanie w systemach automatyki zapewniona jest wymiana informacji między człowiekiem a urządzeniami automatyki i sterowania. To właśnie dzięki panelom operatorskim można zmieniać parametry pracy systemów automatyki oraz zbierać informacje o zgłaszanych błędach z procesu. Oprócz tego sygnalizowane są stany alarmowe jakie wystąpiły w poszczególnych podzespołach układów sterujących i wykonawczych. Na ekranie panelu w postaci odpowiedniej wizualizacji udostępniane są informacje o przebiegu procesu technologicznego.

W praktyce panele operatorskie współpracują z różnymi urządzeniami – sterowniki PLC, serwonapędy, falowniki, zasilacze, kompresory itp. O zastosowaniu paneli operatorskich decydują przede wszystkim możliwości w zakresie przesyłu danych z systemami automatyki, a także liczba i rodzaj odpowiednich złączy oraz szybka rozbudowa systemu.

Rynek paneli operatorskich cechuje się dużą dynamiką. Tym sposobem odpowiednie urządzenie można ściśle dobrać pod kątem konkretnej aplikacji. W przypadku mniej rozbudowanych systemów sprawdzą się panele wyposażone w interfejs do wprowadzania danych, zaś bardziej złożone aplikacje mogą wykorzystać centralny punkt komunikacyjny, co umożliwi gromadzenie i analizowanie danych z różnych urządzeń.

Wiele aplikacji wymaga obudów przystosowanych do pracy w trudnych warunkach eksploatacyjnych. Nie mniej ważne jest intuicyjne konfigurowanie urządzenia i przyjazne środowisko programistyczne. Ponadto stawia się na możliwość szybkiego usuwania usterek oraz łatwe wdrożenie systemu.

źródło: Automatyka 3/2018