HMI چیست؟
کلمات کلیدی:
HMI، HMI چیست، اچ ام آی، Human Machine Interface، رابط انسان و ماشین، پنل HMI، HMI صنعتی، نمایشگر صنعتی، کنترل پنل صنعتی، اتوماسیون صنعتی، PLC و HMI، SCADA، مانیتورینگ صنعتی، کنترل ماشین، کارخانه هوشمند، Industry 4.0، IIoT
HMI چیست؟
HMI مخفف Human Machine Interface به معنی «رابط انسان و ماشین» است. HMI یکی از مهمترین اجزای اتوماسیون صنعتی است که امکان ارتباط اپراتور با ماشین، تجهیزات و سیستم کنترل را فراهم میکند.
به زبان ساده، HMI همان رابطی است که اطلاعات ماشین را به شکل قابل فهم در اختیار اپراتور قرار میدهد و به اپراتور اجازه میدهد فرمانهای موردنیاز را به سیستم کنترل ارسال کند.
در یک سیستم صنعتی، تجهیزات مختلف مانند سنسورها، موتورها، شیرها، پمپها، سرووموتورها و ماشینآلات به سیستمهای کنترلی مانند PLC متصل هستند. PLC منطق کنترلی را اجرا میکند، اما اپراتور برای مشاهده وضعیت ماشین و ارسال برخی فرمانها به یک رابط کاربری نیاز دارد.
این رابط معمولاً HMI است.
ساختار ساده یک سیستم اتوماسیون را میتوان به این شکل در نظر گرفت:
Operator
↓
HMI
↓
PLC
↓
Sensors / Actuators / Motors
↓
Machine
و اطلاعات نیز از ماشین به سمت اپراتور بازمیگردد:
Machine
↓
Sensors
↓
PLC
↓
HMI
↓
Operator
HMI چه کاری انجام میدهد؟
مهمترین وظیفه HMI ایجاد ارتباط بین انسان و سیستم کنترل است.
HMI میتواند اطلاعاتی مانند:
وضعیت ماشین
وضعیت موتور
دما
فشار
سرعت
تعداد تولید
وضعیت سنسورها
وضعیت پمپها
آلارمها
خطاها
زمان کارکرد
و پارامترهای فرآیند
را به اپراتور نمایش دهد.
همچنین اپراتور میتواند از طریق HMI فرمانهایی مانند:
Start
Stop
Reset
Auto
Manual
Setpoint
Speed
Temperature
Pressure
و سایر پارامترهای مجاز را به سیستم کنترل ارسال کند.
HMI چگونه کار میکند؟
HMI معمولاً مستقیماً منطق اصلی ماشین را اجرا نمیکند.
در یک معماری معمول، PLC وظیفه کنترل فرآیند را بر عهده دارد و HMI وظیفه نمایش اطلاعات و دریافت فرمانهای اپراتور را انجام میدهد.
ساختار ساده:
Operator
↓
HMI
↓
Communication
↓
PLC
↓
I/O
↓
Machine
برای مثال، اگر اپراتور دکمه Start را روی HMI فشار دهد، HMI فرمان مربوطه را از طریق شبکه صنعتی به PLC ارسال میکند.
PLC شرایط ایمنی و منطقی لازم را بررسی کرده و در صورت مجاز بودن، خروجی مربوط به موتور یا تجهیز را فعال میکند.
HMI و PLC چه تفاوتی دارند؟
PLC و HMI دو تجهیز متفاوت هستند که معمولاً در کنار یکدیگر استفاده میشوند.
PLC مغز کنترل منطقی ماشین است.
HMI رابط کاربر با ماشین است.
برای مثال، PLC تصمیم میگیرد که چه زمانی موتور روشن شود.
HMI وضعیت موتور را به اپراتور نشان میدهد و میتواند فرمان Start یا Stop را دریافت کند.
بهصورت ساده:
PLC:
Control
Logic
Process
I/O
HMI:
Display
Interaction
Monitoring
Operator Commands
آیا HMI همان صفحه نمایش است؟
خیر.
HMI فقط یک نمایشگر ساده نیست.
یک HMI صنعتی معمولاً شامل سختافزار، سیستمعامل یا Firmware، نرمافزار Runtime، ارتباطات صنعتی و صفحات گرافیکی قابل تنظیم است.
بنابراین HMI یک سیستم رابط کاربری صنعتی است که برای ارتباط با کنترلرها و تجهیزات ماشین طراحی شده است.
صفحههای HMI چیستند؟
در HMI معمولاً چندین صفحه برای بخشهای مختلف ماشین طراحی میشود.
برای مثال:
صفحه اصلی
صفحه وضعیت ماشین
صفحه کنترل
صفحه Manual
صفحه تنظیمات
صفحه آلارمها
صفحه Trends
صفحه اطلاعات تولید
صفحه نگهداری
و صفحه تنظیم پارامترها
اپراتور میتواند با استفاده از این صفحات وضعیت ماشین را مشاهده و کنترل کند.
HMI صفحه اصلی چیست؟
صفحه اصلی یا Main Screen معمولاً اولین صفحهای است که اپراتور مشاهده میکند.
این صفحه میتواند شامل اطلاعات مهمی مانند:
وضعیت کلی ماشین
Auto / Manual
Machine Run
Machine Stop
Alarm Status
Production Count
وضعیت ارتباط PLC
و وضعیت تجهیزات اصلی باشد.
هدف صفحه اصلی این است که اپراتور بتواند در چند ثانیه وضعیت کلی ماشین را درک کند.
HMI و Manual Mode
در بسیاری از ماشینآلات، HMI امکان انتخاب حالت Manual را فراهم میکند.
در حالت Manual، اپراتور یا تکنسین میتواند برخی تجهیزات را بهصورت دستی کنترل کند.
برای مثال:
روشن کردن موتور
حرکت یک محور
باز و بسته کردن شیر
فعال کردن پمپ
حرکت نوار نقاله
یا اجرای یک عملگر.
البته فرمانهای Manual باید همچنان تحت کنترل منطق ایمنی و شرایط مجاز PLC قرار داشته باشند.
HMI و Auto Mode
در حالت Auto، ماشین بر اساس برنامه کنترلی PLC فرآیند را بهصورت خودکار اجرا میکند.
HMI میتواند وضعیت اجرای فرآیند را نمایش دهد.
برای مثال:
Auto Mode
↓
Start
↓
Process Running
↓
Step 1
↓
Step 2
↓
Step 3
↓
Process Complete
HMI و Alarm
یکی از مهمترین قابلیتهای HMI، نمایش آلارمها و خطاهای ماشین است.
برای مثال:
Motor Fault
High Temperature
Low Pressure
Sensor Error
Emergency Stop
Communication Error
Servo Fault
Overload
و سایر خطاهای سیستم.
یک HMI مناسب باید بتواند علاوه بر نمایش خطا، اطلاعات مناسبی درباره زمان ایجاد خطا و وضعیت آن در اختیار اپراتور قرار دهد.
Alarm History چیست؟
Alarm History یا تاریخچه آلارمها، فهرستی از خطاها و هشدارهایی است که در گذشته در سیستم رخ دادهاند.
این قابلیت برای عیبیابی و نگهداری ماشین بسیار مهم است.
برای مثال میتوان بررسی کرد:
چه خطایی رخ داده است؟
چه زمانی رخ داده است؟
چه مدت فعال بوده است؟
آیا خطا برطرف شده است؟
چند بار تکرار شده است؟
این اطلاعات میتواند برای تحلیل خرابی و نگهداری تجهیزات مورد استفاده قرار گیرد.
HMI و Trend
Trend یا نمودار روند یکی دیگر از قابلیتهای مهم HMI است.
در Trend میتوان تغییرات یک پارامتر را در طول زمان مشاهده کرد.
برای مثال:
Temperature
Pressure
Speed
Current
Level
Flow
و سایر پارامترهای فرآیند.
نمایش روند تغییرات به اپراتور کمک میکند رفتار فرآیند را بهتر درک کند.
HMI و Setpoint
Setpoint مقداری است که اپراتور یا سیستم کنترل بهعنوان مقدار هدف تعیین میکند.
برای مثال:
Temperature Setpoint = 80°C
یا:
Pressure Setpoint = 6 bar
HMI میتواند امکان مشاهده و در صورت مجاز بودن، تغییر Setpoint را در اختیار اپراتور قرار دهد.
البته محدودیتهای Setpoint باید در PLC و منطق کنترلی نیز اعمال شوند تا اپراتور نتواند مقدار نامناسبی وارد کند.
HMI و Recipe
در بسیاری از ماشینآلات، محصولات مختلف نیاز به تنظیمات متفاوت دارند.
Recipe یا دستور تولید مجموعهای از پارامترهای موردنیاز برای تولید یک محصول است.
برای مثال یک Recipe میتواند شامل:
سرعت
دما
زمان
فشار
موقعیت
تعداد
و سایر پارامترهای فرآیند باشد.
اپراتور میتواند Recipe مناسب را انتخاب کند و سیستم پارامترهای مربوط به آن محصول را بارگذاری کند.
HMI و ارتباطات صنعتی
HMI باید بتواند با PLC و سایر تجهیزات صنعتی ارتباط برقرار کند.
بسته به نوع تجهیزات، این ارتباط میتواند از طریق پروتکلها و شبکههای مختلف انجام شود.
برخی فناوریهای رایج عبارتاند از:
Modbus RTU
Modbus TCP
Ethernet/IP
PROFINET
OPC UA
CAN
و سایر پروتکلهای صنعتی.
انتخاب پروتکل مناسب به PLC، HMI، تجهیزات و معماری شبکه بستگی دارد.
HMI و Modbus
Modbus یکی از پروتکلهای رایج در اتوماسیون صنعتی است.
HMI میتواند از طریق Modbus RTU یا Modbus TCP با برخی PLCها و تجهیزات ارتباط برقرار کند.
در این معماری، HMI اطلاعات Registerها و وضعیتهای موردنظر را از PLC یا تجهیز دریافت میکند و آنها را به شکل گرافیکی نمایش میدهد.
HMI و Ethernet
در HMIهای مدرن، Ethernet یکی از روشهای رایج ارتباط با تجهیزات صنعتی است.
استفاده از شبکه Ethernet صنعتی امکان ارتباط HMI با:
PLC
Servo Drive
Inverter
Robot Controller
SCADA
Industrial Gateway
و سایر تجهیزات را فراهم میکند.
HMI و SCADA چه تفاوتی دارند؟
HMI و SCADA هر دو برای مانیتورینگ و کنترل استفاده میشوند، اما معمولاً در مقیاس و کاربرد متفاوت هستند.
HMI معمولاً در سطح یک ماشین یا یک خط تولید قرار دارد.
SCADA معمولاً برای نظارت و مدیریت یک خط، کارخانه یا مجموعه بزرگتری از تجهیزات استفاده میشود.
بهصورت ساده:
Machine
↓
PLC
↓
HMI
و در سطح بالاتر:
Machines
↓
PLC / Controllers
↓
Industrial Network
↓
SCADA
HMI و Dashboard چه تفاوتی دارند؟
HMI و Dashboard نیز مفاهیم مشابهی دارند اما هدف آنها یکسان نیست.
HMI بیشتر برای تعامل مستقیم اپراتور با ماشین طراحی شده است.
Dashboard بیشتر برای نمایش اطلاعات، شاخصها و وضعیت عملکرد سیستم در سطح بالاتر استفاده میشود.
برای مثال، HMI میتواند برای کنترل یک دستگاه استفاده شود.
اما Dashboard میتواند اطلاعات چندین دستگاه را همزمان نمایش دهد.
Dashboard میتواند شاخصهایی مانند:
OEE
Production
Downtime
Energy
Quality
Availability
و Performance
را نمایش دهد.
HMI و کارخانه هوشمند
در کارخانه هوشمند، HMI همچنان یکی از رابطهای مهم در سطح ماشین است.
اما اطلاعات ماشین میتواند از HMI و PLC به سیستمهای بالاتر منتقل شود.
ساختار میتواند به این شکل باشد:
Machine
↓
PLC
↓
HMI
↓
Industrial Network
↓
SCADA / IIoT
↓
Dashboard
↓
Analytics / AI
در این معماری، HMI بخشی از زنجیره ارتباط انسان، ماشین و سیستمهای دیجیتال است.
HMI و IIoT
در معماری IIoT، اطلاعات تجهیزات صنعتی میتوانند از سطح ماشین به سامانههای نرمافزاری منتقل شوند.
برای مثال اطلاعاتی مانند:
Machine Status
Production Count
Temperature
Alarm
Cycle Time
Motor Status
و Energy
میتوانند جمعآوری و تحلیل شوند.
HMI میتواند یکی از نقاط مشاهده و تعامل با این اطلاعات در سطح ماشین باشد.
HMI و هوش مصنوعی
HMIهای نسل جدید میتوانند در کنار سامانههای هوش مصنوعی قرار گیرند.
برای مثال، یک سیستم AI میتواند وضعیت ماشین را تحلیل کند و نتیجه تحلیل در HMI نمایش داده شود.
برای نمونه:
AI Analysis
↓
Machine Health = Normal
یا:
AI Prediction
↓
Possible Motor Fault
اپراتور میتواند این اطلاعات را در کنار دادههای واقعی ماشین مشاهده کند.
HMI و کنترل کیفیت
HMI میتواند اطلاعات مربوط به کنترل کیفیت را نیز نمایش دهد.
اگر سیستم Machine Vision برای کنترل کیفیت استفاده شود، نتایج میتوانند در HMI یا سیستمهای بالاتر نمایش داده شوند.
برای مثال:
Camera
↓
Image Processing
↓
AI / Vision
↓
OK / NG
↓
PLC
↓
HMI
در این حالت اپراتور میتواند تعداد قطعات سالم و معیوب و وضعیت فرآیند کنترل کیفیت را مشاهده کند.
HMI در ماشینهای CNC
در ماشینهای CNC، HMI بخشی از رابط کاربری کنترلر CNC است یا میتواند بهصورت یک پنل جداگانه در کنار کنترلر قرار گیرد.
اپراتور میتواند از طریق رابط CNC یا HMI:
برنامه را انتخاب کند.
پارامترها را تنظیم کند.
محورها را کنترل کند.
وضعیت ماشین را مشاهده کند.
آلارمها را بررسی کند.
وضعیت ابزار را مشاهده کند.
و فرآیند تولید را مدیریت کند.
در ماشینهای CNC، طراحی رابط کاربری مناسب اهمیت زیادی دارد؛ زیرا اپراتور باید بتواند اطلاعات مهم را سریع و بدون ابهام مشاهده کند.
HMI در رباتیک
در یک سلول رباتیک، HMI میتواند وضعیت ربات و تجهیزات اطراف آن را نمایش دهد.
برای مثال:
Robot Status
Robot Program
Cycle Count
Alarm
Servo Status
Safety Status
و وضعیت تجهیزات جانبی.
اپراتور میتواند از طریق HMI برخی فرمانهای مجاز مانند Start، Stop، Reset و انتخاب برنامه را انجام دهد.
HMI و امنیت دسترسی
در سیستمهای صنعتی، همه کاربران نباید دسترسی یکسان داشته باشند.
HMI میتواند دارای سطوح مختلف دسترسی باشد.
برای مثال:
Operator
Technician
Engineer
Administrator
هر سطح میتواند مجوزهای متفاوتی داشته باشد.
این موضوع برای جلوگیری از تغییرات ناخواسته در پارامترهای حساس ماشین اهمیت زیادی دارد.
HMI و ثبت دادهها
برخی HMIها قابلیت ثبت دادههای فرآیند را دارند.
این دادهها میتوانند برای:
تحلیل تولید
بررسی خطاها
نگهداری
کنترل کیفیت
و گزارشگیری
مورد استفاده قرار گیرند.
در سیستمهای بزرگتر، معمولاً دادهها به Historian، SCADA، Database یا سامانههای IIoT منتقل میشوند.
HMI و OEE
OEE یا Overall Equipment Effectiveness یکی از شاخصهای مهم در مدیریت عملکرد تجهیزات تولیدی است.
HMI میتواند برخی اطلاعات لازم برای محاسبه OEE را جمعآوری یا نمایش دهد.
برای مثال:
Availability
Performance
Quality
و اطلاعات مربوط به تولید و توقف ماشین.
در کارخانه هوشمند، این دادهها میتوانند از چندین ماشین جمعآوری و در یک Dashboard مرکزی نمایش داده شوند.
HMI صنعتی چه ویژگیهایی دارد؟
یک HMI صنعتی مناسب باید با شرایط محیط صنعتی سازگار باشد.
ویژگیهایی مانند:
صفحه نمایش مناسب
Touch Screen
قابلیت ارتباط صنعتی
مقاومت در برابر شرایط محیطی
پایداری بالا
قابلیت کار مداوم
امنیت دسترسی
ثبت آلارم
Trend
Recipe
و ارتباط با PLC
از ویژگیهای مهم HMIهای صنعتی هستند.
HMI لمسی چیست؟
HMIهای جدید معمولاً از صفحه نمایش لمسی استفاده میکنند.
Touchscreen باعث میشود اپراتور بتواند مستقیماً روی عناصر گرافیکی صفحه لمس کند.
برای مثال:
Button
Switch
Numeric Input
Alarm
Trend
و سایر عناصر رابط کاربری.
طراحی صفحه لمسی باید بهگونهای باشد که احتمال خطای اپراتور کاهش پیدا کند.
تفاوت HMI صنعتی و نمایشگر معمولی
یک نمایشگر معمولی فقط برای نمایش اطلاعات طراحی شده است.
اما HMI صنعتی برای ارتباط با تجهیزات و سیستمهای کنترلی طراحی شده است.
HMI صنعتی معمولاً دارای:
ارتباطات صنعتی
نرمافزار Runtime
قابلیت طراحی صفحات
مدیریت آلارم
ارتباط با PLC
ثبت داده
و قابلیتهای مخصوص محیط صنعتی است.
بنابراین HMI را نباید صرفاً یک مانیتور صنعتی دانست.
HMI در معماری اتوماسیون صنعتی
HMI معمولاً در لایه عملیاتی ماشین قرار میگیرد.
یک معماری ساده اتوماسیون میتواند شامل این لایهها باشد:
Field Devices
↓
PLC / Controller
↓
HMI
↓
SCADA
↓
MES
↓
ERP
در این معماری، HMI رابط اپراتور با سطح کنترل ماشین است.
HMI و تلفیق IT و OT
در معماری مدرن کارخانه، مرز بین IT و OT بهتدریج در حال کاهش است.
HMI یکی از نقاط ارتباطی مهم در این معماری است.
در سطح OT، HMI اطلاعات ماشین و فرآیند را نمایش میدهد.
در سطح IT، اطلاعات تولید میتوانند به سیستمهای مدیریتی، ERP، تحلیل داده و سامانههای هوشمند منتقل شوند.
به این ترتیب:
Machine
↓
PLC
↓
HMI / SCADA
↓
IIoT / MES
↓
ERP / Analytics
HMI و تحول دیجیتال
در تحول دیجیتال صنعتی، HMI از یک صفحه ساده کنترل ماشین به یک رابط هوشمندتر برای مشاهده و تعامل با فرآیند تبدیل شده است.
HMI مدرن میتواند اطلاعات بیشتری از ماشین دریافت کند، دادههای تاریخی را نمایش دهد، وضعیت تجهیزات را تحلیل کند و با سیستمهای بالاتر ارتباط داشته باشد.
در معماریهای پیشرفته، HMI بخشی از اکوسیستم دیجیتال کارخانه است.
آینده HMI
آینده HMI به سمت رابطهای هوشمندتر، دادهمحورتر و متصلتر حرکت میکند.
ترکیب:
HMI
IIoT
Cloud
AI
Machine Vision
Digital Twin
میتواند نسل جدیدی از رابطهای کاربری صنعتی را ایجاد کند.
در این سیستمها، HMI فقط وضعیت ماشین را نشان نمیدهد؛ بلکه میتواند اطلاعات تحلیلی، وضعیت سلامت تجهیزات، هشدارهای هوشمند و پیشنهادهای عملیاتی را نیز در اختیار اپراتور قرار دهد.
HMI به عنوان رابط انسان و کارخانه
در یک کارخانه مدرن، HMI یکی از مهمترین نقاط ارتباط انسان با سیستمهای فیزیکی است.
اپراتور از طریق HMI وضعیت ماشین را میبیند.
ماشین از طریق سنسورها اطلاعات تولید میکند.
PLC فرآیند را کنترل میکند.
شبکه صنعتی داده را منتقل میکند.
سیستمهای IIoT دادهها را جمعآوری میکنند.
Dashboard وضعیت کل سیستم را نمایش میدهد.
و سیستمهای تحلیل و هوش مصنوعی میتوانند از این دادهها برای تصمیمگیری استفاده کنند.
به همین دلیل، HMI یکی از اجزای مهم معماری کارخانه هوشمند است.
مانا افزار سپهر و سیستمهای HMI
مانا افزار سپهر در حوزه اتوماسیون صنعتی، PLC، HMI، کنترلرهای صنعتی، تجهیزات هوشمند، ارتباطات صنعتی، IoT و سامانههای مانیتورینگ فعالیت میکند.
HMI یکی از اجزای مهم در طراحی سیستمهای اتوماسیون صنعتی است و میتواند بهعنوان رابط میان اپراتور، PLC، ماشین و سامانههای بالاتر عمل کند.
در معماریهای مدرن، اتصال HMI و PLC به شبکههای صنعتی و سامانههای IIoT میتواند امکان جمعآوری داده، مانیتورینگ، تحلیل عملکرد و اتصال ماشین به داشبوردهای هوشمند را فراهم کند.
این رویکرد به ایجاد ارتباط میان سطح عملیاتی کارخانه و سیستمهای دیجیتال و مدیریتی کمک میکند و یکی از گامهای مهم در مسیر حرکت به سمت کارخانه هوشمند و Industry 4.0 است.
جمعبندی
HMI یا Human Machine Interface رابط انسان و ماشین است.
HMI به اپراتور اجازه میدهد وضعیت ماشین و فرآیند را مشاهده کند و فرمانهای مجاز را به سیستم کنترل ارسال کند.
HMI معمولاً در کنار PLC، Servo Drive، Inverter، CNC، ربات و سایر تجهیزات صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد.
مهمترین قابلیتهای HMI شامل نمایش وضعیت ماشین، کنترل تجهیزات، مدیریت آلارم، Trend، Recipe، ثبت داده و ارتباط با PLC و شبکههای صنعتی است.
در کارخانه هوشمند، HMI بخشی از یک معماری بزرگتر است که میتواند شامل PLC، SCADA، IIoT، Dashboard، MES، ERP، تحلیل داده و هوش مصنوعی باشد.
بنابراین HMI فقط یک صفحه نمایش نیست؛ بلکه یکی از مهمترین رابطهای ارتباط انسان با سیستمهای اتوماسیون و تجهیزات صنعتی است.
در معماری ساده میتوان نقش HMI را اینگونه خلاصه کرد:
Operator
↓
HMI
↓
PLC / Controller
↓
Machine
و در معماری کارخانه هوشمند:
Operator
↓
HMI
↓
PLC / SCADA
↓
Industrial Network
↓
IIoT
↓
Dashboard / Analytics / AI
مطالب مرتبط
اتوماسیون صنعتی چیست؟
PLC چیست؟
CNC Controller چیست؟
روباتیک چیست؟
سرووموتور چیست؟
Motion Control چیست؟
Servo Drive چیست؟
SCADA چیست؟
اینترنت اشیاء صنعتی چیست؟
داشبورد هوشمند چیست؟
کارخانه هوشمند چیست؟
Industry 4.0 چیست؟
MES چیست؟
ERP چیست؟
مانا افزار سپهر
برای آشنایی با راهکارهای مانا افزار سپهر در حوزه اتوماسیون صنعتی، PLC، HMI، تجهیزات هوشمند، IoT، مانیتورینگ و سامانههای هوشمند صنعتی میتوانید به وبسایت مانا افزار سپهر مراجعه کنید.
manaafzar.com
