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