В современной промышленной автоматизации операторы должны беспрепятственно взаимодействовать со сложными системами управления, такими как программируемые логические контроллеры (ПЛК), распределённые системы управления (РСУ) и платформы SCADA.  Человеко-машинный интерфейс (ЧМИ) служит важным мостом между операторами и автоматизированными процессами, преобразуя необработанные данные управления в наглядную и понятную информацию. В этой статье объясняется, как работают ЧМИ, их роль в автоматизации и лучшие практики для эффективного внедрения.

Понимание роли ЧМИ в системах управления

 Программируемый логический контроллер (ПЛК) обрабатывает дискретные и аналоговые сигналы, выполняет алгоритмы управления и выдаёт команды полевым устройствам. Однако у него отсутствует встроенный интерфейс для отображения данных процесса в реальном времени для человека. Поэтому ЧМИ является визуальным шлюзом, который позволяет операторам безопасно контролировать, анализировать и управлять работой оборудования без прямого доступа к среде программирования ПЛК.

Виды ЧМИ: от персональных компьютеров до промышленных панелей

ЧМИ бывают двух основных типов:

1. ЧМИ на базе ПК – универсальные компьютеры с специализированным графическим программным обеспечением (например,  Wonderware, Ignition или  Rockwell FactoryTalk View), которые подключаются к ПЛК через Ethernet или другие промышленные сети.

2. Панельные ЧМИ – прочные специализированные устройства, предназначенные для работы в суровых условиях. Такие устройства часто оснащены сенсорными экранами, корпусами с защитой по стандарту IP и компактными размерами, подходящими для установки на производственных щитах.

Хотя оба типа выполняют одинаковые функции, панельные ЧМИ разработаны для непрерывной промышленной эксплуатации, обеспечивая надёжность и устойчивость к вибрации, пыли и перепадам температуры.

Как ЧМИ взаимодействуют с ПЛК

ЧМИ обмениваются данными с ПЛК через цифровые сети с использованием промышленных протоколов связи, таких как Modbus, EtherNet/IP или  PROFINET. Техники программируют ЧМИ для чтения и записи определённых переменных — так называемых тегов — которые соответствуют точкам данных в памяти ПЛК. Каждый графический объект на экране ЧМИ (например, кнопка, индикатор или шкала) связан с одним или несколькими тегами, определяющими его взаимодействие с процессом.

Например, нажатие виртуальной кнопки «Пуск» на экране ЧМИ может записать «1» в определённый адрес памяти ПЛК, запуская электродвигатель.

Важность управления тегами

Базы тегов — основа проектирования ЧМИ. Каждый тег сопоставлен с переменной ПЛК и имеет атрибуты, такие как только для чтения или чтение/запись. Чтобы избежать конфликтов, входные данные — например, сигналы с физических кнопок или датчиков — всегда должны оставаться только для чтения. Позволять ЧМИ перезаписывать эти точки может привести к непредсказуемому поведению логики управления.

Распространённая практика программирования — обеспечить, чтобы только одно устройство записывалось в конкретное место памяти, будь то ПЛК или ЧМИ.

Проектирование эффективных экранов ЧМИ

Хорошо спроектированное ЧМИ чётко и понятно отражает реальные процессы. Операторы должны быстро понимать состояние процесса и сигналы тревоги. При разработке ЧМИ:

• Соблюдайте единообразные правила именования тегов (например, «Reactor_Temp_High» или «Pump1_Start»).

• Логически группируйте связанные устройства, например все теги «Реактор» или «Теплообменник».

• Используйте чёткие цвета, интуитивные макеты и стандартизированные символы для снижения ошибок операторов.

Единообразное именование тегов также улучшает масштабируемость проекта и упрощает поиск неисправностей в больших системах управления.

Расширенные возможности современных ЧМИ

Современные ЧМИ выходят за рамки простой визуализации. Они включают мощные функции, такие как:

• Регистрация и анализ данных – запись и отображение переменных процесса во времени.

• Управление сигналами тревоги – уведомление операторов о ненормальных состояниях с указанием приоритетов.

• Управление рецептами – упрощение изменений в производстве с помощью наборов параметров.

• Доступ через веб-сервер – удалённый мониторинг через защищённые сетевые соединения.

• Встроенное управление – некоторые ЧМИ включают функции ПЛК для компактных решений управления.

В результате ЧМИ всё чаще выступают как операционный и аналитический центр в умных заводах и средах Промышленности 4.0.

Лучшие практики внедрения ЧМИ

Для обеспечения надёжной работы и сохранения целостности системы:

• Тщательно разделяйте права на чтение и запись.

• Определяйте все имена тегов и структуры данных до начала графического проектирования.

• Регулярно создавайте резервные копии конфигураций ЧМИ и баз тегов.

• Проверяйте каналы связи между ЧМИ и ПЛК с помощью имитационного тестирования.

• Обучайте операторов правильной интерпретации сигналов тревоги и тенденций.

Хорошо реализованное ЧМИ может значительно сократить время простоя и повысить эффективность предприятия, предоставляя полезные данные для принятия решений.

Отраслевые тенденции: будущее систем ЧМИ

Следующее поколение ЧМИ будет использовать пограничные вычисления, аналитику на основе искусственного интеллекта и облачные технологии для предоставления прогнозных данных. Такие производители, как Siemens, Rockwell Automation и  Schneider Electric, интегрируют ЧМИ с централизованными платформами данных, обеспечивая принятие решений в реальном времени в распределённых системах.

Кроме того, появляются мобильные ЧМИ и интерфейсы с дополненной реальностью, дающие техникам возможность удалённого наблюдения и управления оборудованием завода.

Пример применения: управление очисткой кислорода

Рассмотрим систему очистки кислорода методом вакуумной адсорбции с переменным давлением (ВАПД). Здесь ЧМИ отображает текущие показания давления, состояние клапанов и уровень концентрации кислорода, позволяя операторам мгновенно корректировать параметры процесса. В основе лежит ПЛК, управляющий временем открытия клапанов и последовательностью работы компрессоров, а ЧМИ служит окном оператора в работу системы — повышая безопасность и эффективность.

Заключение: ЧМИ как краеугольный камень промышленной автоматизации

В промышленной автоматизации человеко-машинный интерфейс превращает сложную логику управления в понятную и наглядную форму. Он даёт операторам возможность уверенно взаимодействовать с ПЛК, РСУ и другими системами управления, обеспечивая, чтобы решения, основанные на данных, приводили к надёжным результатам процесса. Объединяя визуализацию, связь и управление в одной платформе, ЧМИ остаётся важнейшим элементом связанной промышленной экосистемы.