هر دستگاه الکتریکی کنترل شده یا مکانیکی کنترل شده دارای یک رابط انسانی (HMI) به شکل دکمه ها ، اهرم ها یا صفحه لمسی است. در سطح بالا ، HMI دارای سه عنصر اساسی است: ورودی ، خروجی و چیزی برای انجام انتقال بین این دو.
با حرکت به صنعت 4. {1}}} EA ، این مدل کمی پیچیده تر می شود. طراحان در حال اضافه کردن رابط های کاربر گرافیکی (GUI) هستند ، از دکمه های فیزیکی به مجازی روی GUI حرکت می کنند و تعداد کارهایی را که HMI می تواند انجام دهد افزایش می دهد و حتی بازخورد عملکرد را در سیستم های حلقه بسته نشان می دهد.
الزامات پردازنده HMI عمومی HMI ها بسته به برنامه کاربردی مورد نظر خود ، ممکن است تعدادی از الزامات برای پردازنده های تعبیه شده داشته باشند. چهار سطح عملکرد HMI وجود دارد: سطح ورودی ، اساسی ، میان رده و سطح بالا.
HMI های سطح ورودی دارای رابط کاربری بسیار اساسی هستند. صفحه خروجی به طور معمول یک آرایه گرافیکی ویدیویی چهارم (QVGA) ، حداکثر 320 x 240 است و دارای حداقل گرافیک 2D است. این HMI ها برای برنامه های حساس به هزینه در نظر گرفته شده اند که فقط به اصول اولیه رابط کنترل نیاز دارند. طراحان ممکن است در اینجا از صفحه لمسی مقاومت استفاده کنند زیرا اقتصادی تر از صفحه لمسی خازنی هستند.
نه تنها صفحه نمایش لمسی مقاومتی ارزان تر از صفحه لمسی خازنی است ، بلکه ممکن است هزینه BOM نیز پایین تر باشد زیرا برخی از پردازنده ها می توانند به صورت بومی از صفحه لمسی مقاومت پشتیبانی کنند ، در حالی که لمس های خازنی گاهی به اجزای خارجی احتیاج دارند. این نوع HMI برای پردازنده های کم عملکرد مناسب است (<300 MHz) or microcontrollers that support resistive touchscreens.
HMI های اساسی وضوح صفحه نمایش بهبود یافته و رابط کاربری بهتری نسبت به HMI های سطح ورودی اضافه می کنند. HMI اساسی دارای یک صفحه نمایش لمسی از نظر مقاومت است و وضوح صفحه نمایش تا آرایه گرافیکی گسترده (XGA) (1،024 x 768) برای یک تجربه کاربری بهبود یافته. بسته به قدرت پردازش برنامه مورد نیاز ، چنین پردازنده هایی در محدوده عملکرد کم تا میانی (300 مگاهرتز تا 800 مگاهرتز) قرار خواهند گرفت و ممکن است از پدال گازی گرافیکی 2D بهره مند شوند.
HMI های میان رده ای از نزدیک تر آینه های GUI های معمولی که کاربران ممکن است به طور روزانه با آنها ارتباط برقرار کنند. HMI های میان رده دارای گرافیک 2D هستند ، وضوح نمایش تا XGA (1،024 x 768) ، شامل کنترل های بیشتری نسبت به دسته پایه هستند و در برخی موارد حتی بازخورد لمسی یا شنوایی را معرفی می کنند. این ویژگی ها تجربه کاربر را تا حد زیادی بهبود می بخشد. برای HMI های میان رده ، پردازنده باید شامل شتاب گرافیک ، عملکرد میان رده (600 مگاهرتز تا 1 گیگاهرتز) و یک کتابخانه گرافیکی برای کمک به ساخت رابط کاربری گرافیکی باشد.
High-end HMIs are naturally multimedia-rich. They require high-end SoCs with high-definition video support, 2D and 3D graphics gas pedals, and high-performance processors (multi-core and >1 گیگاهرتز) ، که می تواند از DSP های روی تراشه برای کمک به تسریع در پردازش صوتی و تصویری بسیار بهره مند شود. علاوه بر این ، HMI های سطح بالا اغلب به پردازنده هایی احتیاج دارند که بتوانند چندین خروجی صفحه نمایش با وضوح بالا و HTML5 را کنترل کنند. یک مثال ، خانواده پردازنده Sitara مبتنی بر هسته ARM Cortex-A است که مقیاس پذیری مورد نیاز برای توسعه یک بستر واحد برای HMI های سطح ورودی به سطح بالا را فراهم می کند و از قابلیت اطمینان صنعتی پشتیبانی می کند.
شما می توانید HMI را در لوازم خانگی ، ماشین های فروش ، سیستم های اتوماسیون ساختمان مانند پانل های کنترل آتش یا آسانسور و ایستگاه های شارژ وسایل نقلیه برقی پیدا کنید. با این حال ، یکی از رایج ترین کاربردهای HMI های صنعتی در اتوماسیون کارخانه است.
HMIS در سیستم های اتوماسیون کارخانه در سیستم های اتوماسیون کارخانه ، اپراتورهای دستگاه HMIS اتصال برای کنترل توابع ، معمولاً کنترل کننده های منطق قابل برنامه ریزی (PLC) ، که سنسورها ، محرک ها و ماشین های کنترل شده در کف کارخانه را کنترل می کنند. خود و در برخی موارد ، برخی از عملکردهای کنترل را در HMI مدیریت می کنند. این برنامه ها تعدادی از خواسته ها را در پردازنده در HMI قرار می دهد ، از جمله نیاز به قابلیت های ارتباطی صنعتی ، قابلیت اطمینان درجه صنعتی و ویژگی های امنیتی.
استاندارد ارتباطی صنعتی اترنت ویژگی های قطعی مورد نیاز برای اتوماسیون صنعتی را ندارد. این جایی است که پروتکل هایی که برای ارتباطات صنعتی طراحی شده اند به مرحله اجرا در می آیند. پروتکل های اترنت صنعتی ارتباطات قطعی و قطعی مورد نیاز بین انواع مختلف دستگاه های نهایی را در یک سیستم کنترل امکان پذیر می کنند.
بیش از ده ها پروتکل مختلف برای اترنت صنعتی ایجاد شده است. پردازش این پروتکل ها در HMI به یک پردازنده ، FPGA یا ASIC نیاز دارد. در بسیاری از موارد ، HMI یک پردازنده میزبان و ASIC یا FPGA جداگانه در حال اجرا یک پروتکل واحد خواهد داشت.
به عنوان جایگزینی برای FPGA یا ASIC ، راه حل های یکپارچه وجود دارد که می تواند به عنوان یک پردازنده کاربردی و موتور ارتباطی اترنت صنعتی باشد. این راه حل ها حتی می توانند برای پشتیبانی از پروتکل های متعدد گسترش یابد.
پشتیبانی چند پروتکل در HMIS انعطاف پذیری بسیار مورد نیاز را به صنعت می افزاید. {3}} ، به عنوان سیستم های کنترل در کارخانه های هوشمند غالباً وصله ای از راه حل های مختلف پروتکل های مختلف هستند. با پشتیبانی چند پروتکل ، HMI می تواند به عنوان دروازه ای بین پروتکل های مختلف عمل کند.
در بیشتر موارد ، گیاهان با کیفیت صنعتی 24/7 در تمام سال فعالیت می کنند. بسته به آنچه گیاه تولید می کند ، شرایط می تواند از زیر انجماد تا دمای جوش متفاوت باشد. HMI در گیاه باید بتواند در برابر این شرایط مقاومت کند ، و همچنین باید پردازنده های موجود در آن باشد. این نیاز به پردازنده های کلاس صنعتی در HMI های اتوماسیون کارخانه را افزایش می دهد.
پردازنده های درجه صنعتی باید بتوانند در برابر طیف گسترده ای از دما ، به طور معمول {1}} درجه تا 105 درجه مقاومت کنند. علاوه بر این ، ساعات طولانی کار تجهیزات کارخانه نیاز به آزمایش عمر گسترده دستگاه دارد. یکی از معیارهای مورد استفاده برای اندازه گیری عمر یک دستگاه ، زمان قدرت آن (POH) است که تعداد ساعاتی است که می توان به درستی از آن استفاده کرد و به درستی کار کرد. پردازنده هایی با دامنه دما گسترده و POH بیش از 88 ، {5 {}} اساساً می توانند بیش از 10 سال اجرا شوند. بیشتر HMI های صنعتی باید حداقل 100 ، {8}} poh را برآورده کنند.
امنیت اگرچه HMI و بقیه شبکه کنترل به طور معمول بر روی یک شبکه داخلی اترنت جدا شده از اینترنت اصلی پیکربندی شده اند ، اما هنوز امکان استراق سمع حزب مخرب وجود دارد یا ارتباطات بین HMI و بقیه سیستم را تغییر می دهد. برای کمک به متوقف کردن تداخل ناخواسته ، پردازنده های تعبیه شده اغلب پدال های گاز رمزنگاری را برای رمزگذاری داده ها ادغام می کنند. Secure Boot یکی دیگر از گزینه های امنیتی محبوب است که می تواند به محافظت از مالکیت معنوی سازنده HMI کمک کند.
سایر جنبه های HMI از آنجا که HMI در درجه اول یک رابط کاربری است ، نیاز به استفاده از یک سیستم عامل محبوب سطح بالا (OS) برای HMIS شامل Windows CE ، Android و Linux Windows CE برای HMI ها سالهاست به خصوص در فضای اتوماسیون کارخانه ، اما اندروید و لینوکس به دلایل مختلف مورد توجه قرار می گیرند. ویندوز CE سالهاست که در HMI ها محبوبیت زیادی دارد ، به خصوص در اتوماسیون کارخانه ، اما اندروید و لینوکس به دلایل مختلف مورد توجه قرار گرفته اند.
اول ، Android و Linux سیستم عامل های منبع باز هستند ، به این معنی که آنها برای پیاده سازی رایگان هستند. علاوه بر این ، به دلیل اینکه آنها منبع باز هستند ، یک جامعه بزرگ وجود دارد که از نرم افزار پشتیبانی می کند و کد نمونه را برای هر سیستم عامل فراهم می کند.
Android در سیستمهایی که تعداد زیادی از کاربران با HMI در تعامل خواهند بود ، مانند دستگاه های فروش یا لوازم خانگی ، محبوب است. Android در حال حاضر در بازار دستی محبوب است ، بنابراین منحنی یادگیری برای تازه واردان به HMI ها که ممکن است از قبل با سیستم عامل آشنا باشند ، به حداقل می رسد.
در اتوماسیون کارخانه ، لینوکس به انتخاب احتمالی تبدیل شده است زیرا به طور گسترده ای به عنوان پایدار ، قابل اعتماد و ایمن شناخته می شود. بسیاری از HMI های صنعتی به تمام ویژگی هایی که با Android همراه است ، نیازی ندارند. از طرف دیگر ، لینوکس همچنین از چارچوب هایی مانند QT و کتابخانه گرافیک باز (OpenGL) پشتیبانی می کند ، که به ایجاد GUI مؤثر کمک می کند.
یکی دیگر از ویژگی های کسب محبوبیت در HMIS ، مجازی سازی است. همانطور که قبلاً ذکر شد ، HMI ها معمولاً با سایر دستگاه های نهایی مانند PLC ، روبات های صنعتی و دستگاه های CNC ادغام می شوند. یکی از روش های ادغام داشتن پردازنده های جداگانه برای HMI و سایر برنامه ها است ، اما این می تواند گران باشد و به فضای هیئت مدیره اضافی نیاز دارد.
رویکرد دیگر استفاده از یک پردازنده چند هسته ای واحد است که یک هسته به HMI اختصاص داده شده و یک هسته دیگر به برنامه اختصاص داده شده است. بسته به اینکه آیا عملکرد زمان واقعی لازم است ، هسته ها می توانند سیستم عامل های مختلفی مانند RTOS و Linux را اجرا کنند.
به طور خلاصه HMIS طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی نهایی را در تمام سطوح عملکرد پوشش می دهد ، اما دارای برخی از ویژگی های مشترک از جمله GUI ، اتصال به سیستم های کنترل و کنترل مبتنی بر لمس است. پردازنده باید بتواند حداقل از این الزامات HMI در سطح ورودی پشتیبانی کند. HMI های اساسی ، میان رده و سطح بالا می توانند از این ویژگی ها استفاده کنند ، از جمله گرافیک با کیفیت بالا ، مرور وب ، فیلم و پشتیبانی چند صفحه.