في أتمتة الصناعة الحديثة، يجب على المشغلين التفاعل بسلاسة مع أنظمة التحكم المعقدة مثل وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، أنظمة التحكم الموزعة (DCS)، ومنصات سكادا. يعمل واجهة الإنسان والآلة (HMI) كجسر أساسي بين المشغلين والعمليات المؤتمتة، حيث يحول بيانات التحكم الخام إلى معلومات بصرية قابلة للتنفيذ. يشرح هذا المقال كيفية عمل واجهات الإنسان والآلة، ودورها في الأتمتة، وأفضل الممارسات لتنفيذها بفعالية.

فهم دور واجهة الإنسان والآلة في أنظمة التحكم

تعالج وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) الإشارات المنفصلة والتناظرية، وتنفذ خوارزميات التحكم، وتصدر أوامر لأجهزة الميدان. ومع ذلك، فهي تفتقر إلى واجهة أصلية لعرض بيانات العملية في الوقت الحقيقي للمستخدمين البشر. لذلك، تعمل واجهة الإنسان والآلة كبوابة بصرية تتيح للمشغلين مراقبة وتحليل والتحكم في عمليات الآلة بأمان دون الحاجة للوصول المباشر إلى بيئة برمجة وحدة التحكم.

أنواع واجهات الإنسان والآلة: من الحواسيب إلى لوحات التحكم الصناعية

تأتي واجهات الإنسان والآلة في شكلين رئيسيين:

1. واجهات الإنسان والآلة المعتمدة على الحاسوب – حواسيب عامة الغرض تعمل ببرمجيات رسومية متخصصة (مثل وندر وير، إغنيشن، أو روكويل فاكتوري توك فيو) التي تتصل بوحدات التحكم عبر شبكة إيثرنت أو شبكات صناعية أخرى.

2. واجهات الإنسان والآلة المثبتة على اللوحات – أجهزة مخصصة متينة مصممة للبيئات القاسية. غالبًا ما تتميز هذه الوحدات بشاشات اللمس، حاويات مقاومة للغبار والماء، وأشكال مدمجة مناسبة للوحات المصانع.

بينما يخدم كلا النوعين نفس الغرض، فإن واجهات الإنسان والآلة المثبتة على اللوحات مصممة للعمل الصناعي المستمر، مما يوفر موثوقية ومقاومة للاهتزاز والغبار ودرجات الحرارة القصوى.

كيف تتواصل واجهات الإنسان والآلة مع وحدات التحكم المنطقية

تتواصل واجهات الإنسان والآلة مع وحدات التحكم المنطقية عبر الشبكات الرقمية باستخدام بروتوكولات الاتصال الصناعية مثل مودباص، إيثرنت/آي بي، أو بروفينيت. يقوم الفنيون ببرمجة واجهات الإنسان والآلة لقراءة وكتابة متغيرات محددة—المعروفة باسم العلامات—التي تتوافق مع نقاط البيانات في ذاكرة وحدة التحكم. كل عنصر رسومي على واجهة الإنسان والآلة (مثل زر، مقياس، أو مؤشر) مرتبط بعلامة أو أكثر تحدد كيفية تفاعله مع العملية.

على سبيل المثال، قد يؤدي الضغط على زر “تشغيل” افتراضي على شاشة واجهة الإنسان والآلة إلى كتابة “1” في عنوان ذاكرة محدد في وحدة التحكم، مما يؤدي إلى تشغيل محرك.

أهمية إدارة العلامات

تعد قواعد بيانات العلامات أساس تصميم واجهات الإنسان والآلة. يتم ربط كل علامة بمتغير في وحدة التحكم وتعيين خصائص مثل للقراءة فقط أو للقراءة والكتابة للوصول. لمنع التعارضات، يجب أن تظل بيانات الإدخال—مثل الإشارات من أزرار الضغط الفيزيائية أو الحساسات—للقراءة فقط دائمًا. السماح لواجهة الإنسان والآلة بالكتابة فوق هذه النقاط قد يسبب سلوكًا غير متوقع في منطق التحكم.

من أفضل الممارسات البرمجية الشائعة التأكد من أن جهازًا واحدًا فقط يكتب إلى موقع الذاكرة المعين، سواء كانت وحدة التحكم أو واجهة الإنسان والآلة.

تصميم شاشات واجهة الإنسان والآلة الفعالة

تعكس واجهة الإنسان والآلة المصممة جيدًا العمليات الواقعية بوضوح وكفاءة. يجب أن يكون بإمكان المشغلين تفسير ظروف العملية والتنبيهات بنظرة سريعة. عند تطوير واجهات الإنسان والآلة:

• الحفاظ على اتساق في تسمية العلامات (مثل “درجة_حرارة_المفاعل_عالية” أو “تشغيل_المضخة1”).

• تجميع المعدات ذات الصلة بشكل منطقي، مثل جميع علامات “المفاعل” أو “المبادل”.

• استخدام ألوان واضحة، وتصاميم بديهية، ورموز موحدة لتقليل أخطاء المشغل.

يساعد اتساق تسمية العلامات أيضًا في تحسين قابلية توسعة المشروع وتبسيط استكشاف الأخطاء في أنظمة التحكم الكبيرة.

القدرات المتقدمة لواجهات الإنسان والآلة الحديثة

تتجاوز واجهات الإنسان والآلة الحديثة مجرد العرض الأساسي. فهي الآن تدمج ميزات قوية مثل:

• تسجيل البيانات وتتبع الاتجاهات – تسجيل وعرض متغيرات العملية مع مرور الوقت.

• إدارة التنبيهات – إعلام المشغلين بالحالات غير الطبيعية مع مستويات أولوية واضحة.

• التحكم في الوصفات – تبسيط تغييرات الإنتاج من خلال مجموعات المعايير.

• الوصول عبر خادم الويب – السماح بالمراقبة عن بعد من خلال اتصالات شبكية آمنة.

• التحكم المتكامل – بعض واجهات الإنسان والآلة تتضمن وظائف وحدة تحكم مدمجة لحلول تحكم مدمجة.

نتيجة لذلك، أصبحت واجهات الإنسان والآلة تلعب دورًا متزايدًا كمركز تشغيلي وتحليلي في المصانع الذكية و الصناعة 4.0 .

أفضل الممارسات لتنفيذ واجهات الإنسان والآلة

لضمان تشغيل موثوق والحفاظ على سلامة النظام:

• فصل أذونات القراءة والكتابة بعناية.

• تحديد جميع أسماء العلامات وهياكل البيانات قبل بدء التصميم الرسومي.

• النسخ الاحتياطي المنتظم لتكوينات واجهة الإنسان والآلة وقواعد بيانات العلامات.

• التحقق من مسارات الاتصال بين واجهة الإنسان والآلة ووحدة التحكم من خلال اختبار المحاكاة.

• تدريب المشغلين على تفسير التنبيهات والاتجاهات بفعالية.

يمكن لواجهة الإنسان والآلة المنفذة بشكل جيد أن تقلل بشكل كبير من وقت التوقف وتحسن كفاءة المصنع من خلال توفير رؤى قابلة للتنفيذ.

رؤى الصناعة: مستقبل أنظمة واجهة الإنسان والآلة

ستستفيد الجيل القادم من واجهات الإنسان والآلة من الحوسبة الطرفية، التحليلات المدعومة بالذكاء الاصطناعي، و التكامل السحابي لتقديم رؤى تنبؤية. يقوم موردون مثل سيمنز، روكويل أوتوميشن، و شنايدر إلكتريك بدمج واجهات الإنسان والآلة مع منصات بيانات مركزية، مما يمكّن من اتخاذ قرارات في الوقت الحقيقي عبر أنظمة موزعة.

بالإضافة إلى ذلك، تظهر واجهات الإنسان والآلة المحمولة و واجهات الواقع المعزز لتوفر للفنيين رؤية وتحكمًا عن بعد في أصول المصنع.

مثال تطبيقي: التحكم في تنقية الأكسجين

لنأخذ نظام الامتصاص بالتناوب بالفراغ (VSA) لتنقية الأكسجين كمثال. تعرض واجهة الإنسان والآلة قراءات الضغط الحية، وحالات الصمامات، ومستويات تركيز الأكسجين، مما يسمح للمشغلين بضبط معايير العملية فورًا. تدير وحدة التحكم توقيت الصمامات وتسلسل الضاغط، بينما تعمل واجهة الإنسان والآلة كنافذة المشغل على أداء النظام—معززة السلامة والكفاءة.

الخاتمة: واجهة الإنسان والآلة كركيزة في الأتمتة الصناعية

في الأتمتة الصناعية، تحول واجهة الإنسان والآلة منطق التحكم المعقد إلى شكل بصري بديهي. تمكن المشغلين من التفاعل بثقة مع وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة، أنظمة التحكم الموزعة، وأنظمة التحكم الأخرى، مما يضمن أن تتحول القرارات المبنية على البيانات إلى نتائج عملية موثوقة. من خلال الجمع بين العرض، والاتصال، والتحكم في منصة واحدة، تظل واجهة الإنسان والآلة عنصرًا حيويًا في النظام الصناعي المتصل.