قطعاً در یک محیط صنعتی بزرگ یا هنگام کار با یک ماشین صنعتی، نیازمند بررسی متغیرها به‌طور پیوسته، اِعمال فرمان‌های اپراتوری سریع و افزایش سرعت عیب‌یابی تجهیزات هستید. رفع این نیازها و بسیاری امکانات سودمند دیگر با به‌کارگیری نمایشگرهای HMI و برنامه‌ریزی نرم‌افزاری آن‌ها امکان‌پذیر است. در مقاله «HMI چیست»، این تجهیز را به‌طور کامل معرفی میکنیم و کاربرد و مزایای آن را در صنعت توضیح می‌دهیم. با ماهر همراه باشید.
HMI چیست؟
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.
HMI مخفف Human Machine Interface به‌معنیِ رابط بین انسان و ماشین است. درواقع این تجهیز، یک واسط سخت‌افزاری-نرم‌افزاریِ صنعتی است که امکان ارتباط گرافیکی میان کاربر و تجهیزات یا فرایندهای صنعتی را فراهم می‌کند. ارتباط گرافیکی غالباً از طریق یک پنِل لمسی، تبلت یا کامپیوتر صنعتی انجام می‌شود.
این واسط از طریق نرم‌افزار ویژه خود برنامه‌ریزی و پیکربندی می‌شود و تصاویر شبیه‌سازی‌شده اجزای پروسه (فرایند) و اطلاعات مربوط به عملکرد آن‌ها را در اختیار کاربر قرار می‌دهد. شکل ۱ دو پنل HMI را نشان می‌دهد.
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. طراحیِ صفحاتِ نمایشگر HMI می‌تواند با سطوح دسترسیِ متفاوتی انجام شود. مثلاً برای کنترل دمای یک کوره، امکان تغییر ست‌پوینت (Setpoint) دما در اختیار اپراتور قرار می‌گیرد؛ اما امکان تغییر پارامترهای کنترلی کوره (مثلاً ضرایب PID) از طریق پنل HMI، تنها با وارد کردن گذرواژه (پسورد) برای مهندسین فراهم می‌شود.
بیشتر بدانیم:
ست‌پوینت، هدف و مقدار مطلوبی است که توسط کاربر تعیین شده و عملیات کنترلی برای رسیدن به این هدف انجام می‌شود. عدد مربوط به ست‌پوینت معمولاً به‌صورت دستی توسط کاربر برای سیستم تعیین می‌شود؛ اما گاهی ممکن است یک برنامه محاسباتی با در نظر گرفتن پارامترهای دیگرِ سیستم، مقدار ست‌پوینت را برای کنترلر تعیین کند.
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). شکل ۳ هرم سلسله مراتب اتوماسیون صنعتی را نشان می‌دهد.
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. شکل ۴ نحوه نصب پنل HMI را روی درب یک تابلو نشان می‌دهد.
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. برای آشنایی بیشتر با IP تجهیزات، مقاله «درجه حفاظت یا IP چیست؟» را بخوانید.
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. شکل ۵ یک نمونه از این درپوش‌ها را نشان می‌دهد.
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. برای آشنایی با ربات‌های جوشکار مقاله «ربات جوشکار چیست؟» را بخوانید. در ادامه به چند مورد از موارد کاربرد HMI در صنعت اشاره میکنیم.
- دستگاه‌های CNC ماشین‌هایی هستند که با اِعمال تراش روی یک جسم جامد (فلز، چوب و …)، آن قطعه را شکل‌دهی می‌کنند. در گذشته، ماشین‌های CNC به‌وسیله یک کنسول بزرگ با کلیدها و لامپ‌های پرشمار و یک مانیتور، راه‌اندازی و کنترل می‌شدند. شکل ۶ کنسول کنترلی یک ماشین CNC قدیمی را نشان می‌دهد.
همانطور که در شکل ۶ مشاهده می‌شود، 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. شکل ۷ نمونه یک ماشین CNC پیشرفته مجهز به HMI را نشان می‌دهد.
- 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. شکل ۸ یک ماشین تزریق پلاستیک مجهز به HMI را نمایش می‌دهد.
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. شکل ۹ یک نمایشگر HMI با کاربری «جایگزین پوش‌باتن» را نشان می‌دهد.
همانطور که در شکل ۹ 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. شکل ۱۰ چند نمونه HMI با کاربری «مدیریت داده» را نشان می‌دهد.
نمودارها و داده‌های موجود در HMIهای شکل ۱۰ نشان می‌دهد که برنامه این پنل‌ها برای کاربری «مدیریت داده» طراحی شده است.
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. جدول ۱ نرم‌افزار طراحی و پیکربندی HMI چند برند پرکاربرد در صنایع ایران را نمایش می‌دهد.
برندهای معتبر و پرکاربرد HMI
از آنجا که امروزه HMI بخش جدایی‌ناپذیر اتوماسیون صنعتی است، تقریباً همه شرکت‌های فعال در این حوزه، تجهیزات HMI را نیز تولید می‌کنند. شرکت‌های پرشماری در اروپا، شرق آسیا و آمریکا در حوزه تولید تجهیزات اتوماسیون صنعتی فعال هستند. از جمله برندهای رایج در ایران می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- Siemens
- Delta
- LS
- Fatek
- Schneider
- ABB
- Omron
- Allen Bradley
برندهای آسیایی مانند LS و Delta در سال‌های اخیر به‌دلیل قیمت مناسب‌تر و دسترسی آسان‌تر از محبوبیت بالایی در صنایع برخوردار بوده‌اند. هرچند کماکان برندهای پیشرو مانند Siemens ،ABB و Schneider به‌دلیل کیفیت و کارایی بهتر و ضریب اطمینان بالاتر برای پروسه‌های حساسِ صنعتی مانند صنایع نفت و گاز و پتروشیمی، انتخاب نخستِ مهندسین طراح هستند.
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
برای برآورد قیمت HMI، محدوده قیمت را برای چند برند در سایز هفت اینچ مقایسه میکنیم. برای مثال، قیمت HMI هفت اینچی شرکت زیمنس بین ۲۲ تا ۳۰ میلیون تومان است. در حالی که HMI شرکت دلتا با همین سایز بین ۷ تا ۱۵ میلیون تومان در ایران به فروش می‌رسد. همچنین HMI هفت اینچی شرکت فَتِک بین ۸ تا ۲۵ میلیون تومان در بازار ایران موجود است.
با توجه به ارقامی که اشاره شد، 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. برای رسیدن به این هدف می‌توانید به‌طور کامل با HMI و نحوه به‌کارگیری آن در دوره اتوماسیون صنعتی آکادمی ماهر آشنا شوید.
سوالات متداول
در کاربردهایی که HMI صرفاً برای ارسال فرمان استفاده می‌شود و نیازی به گرفتن فیدبک از سنسورها نداشته باشد می‌توان از آن به صورت مستقل و بدون نیاز به PLC استفاده کرد.
رزولوشن، تعداد رنگ، تکنولوژی نمایش (LCD ،TFT).
اندازه این نمایشگرها از 3 تا 25 اینچ متغیر است.
اغلب HMIها به‌صورت گرافیکی برنامه‌ریزی می‌شوند؛ اما در بعضی انواع HMI برای اجرای برخی قابلیت‌ها باید از زبان C استفاد کرد.
منابع
مقاله‌ای که خواندید بخشی از مطالب دوره آموزش اتوماسیون کار ماهر است.
برای یادگیری 0 تا 100 این دوره کلیک کن.
اگر به دنبال افزایش مهارت خود در زمینه اتوماسیون صنعتی هستید،
برای دریافت آموزش‌های رایگان در این حوزه، فقط کافیه فرم رو تکمیل کنید.
اوووپس! نمی توانیم فرم شما را بیابیم.