Każda kontrolowana maszyna elektryczna lub mechaniczna ma interfejs ludzkiej maszyny (HMI) w postaci przycisków, dźwigni lub ekranów dotykowych. Na wysokim poziomie HMI ma trzy podstawowe elementy: wejścia, wyjścia i coś, co może poradzić sobie z przejściami między nimi.
Gdy przechodzimy do branży 4. 0, ten model staje się nieco bardziej złożony. Projektanci dodają graficzne interfejsy użytkownika (GUIS), przechodząc od fizycznych na wirtualne przyciski na GUI, zwiększając liczbę zadań, które HMI może wykonywać, a nawet wyświetlając sprzężenie zwrotne w systemach zamkniętej pętli.
Ogólne wymagania procesora HMI HMI mogą mieć szereg wymagań dotyczących wbudowanych procesorów, w zależności od ich zamierzonego zastosowania końcowego. Istnieją cztery poziomy wydajności HMI: podstawowy, podstawowy, średniej klasy i wysokiej klasy.
HMI na poziomie podstawowym mają bardzo podstawowy interfejs użytkownika. Ekran wyjściowy to zazwyczaj ćwierć tablicy grafiki wideo (QVGA), do 320 x 240 i ma minimalną grafikę 2D. Te HMI są przeznaczone do aplikacji wrażliwych na koszty, które wymagają tylko podstaw interfejsu kontrolnego. Projektanci mogą tutaj używać rezystancyjnych ekranów dotykowych, ponieważ są bardziej ekonomiczne niż pojemnościowe ekrany dotykowe.
Oporowe ekrany dotykowe są nie tylko tańsze niż pojemnościowe ekrany dotykowe, ale koszt BOM może być również niższy, ponieważ niektóre procesory mogą natywnie obsługiwać rezystancyjne ekrany dotykowe, podczas gdy pojemnościowe dotyki czasami wymagają zewnętrznych elementów. Ten typ HMI najlepiej nadaje się do procesorów o niskiej wydajności (<300 MHz) or microcontrollers that support resistive touchscreens.
Podstawowe HMI dodają ulepszoną rozdzielczość wyświetlania i lepszy interfejs użytkownika niż HMI na poziomie podstawowym. Podstawowa HMI będzie miała ekran dotykowy typowy i rozdzielczość wyświetlania do rozszerzonej tablicy graficznej (XGA) (1024 x 768) dla lepszego wrażenia użytkownika. W zależności od wymaganej mocy przetwarzania aplikacji, takie procesory będą znajdować się w zakresie wydajności o niskim lub średnim poziomie (300 MHz do 800 MHz) i mogą skorzystać z pedałów gazowych 2D.
HMI średniego zasięgu bardziej odzwierciedla typowe GUI, z którymi użytkownicy mogą wchodzić w interakcje codziennie. HMI średniego zasięgu mają grafikę 2D, rozdzielczości wyświetlania do XGA (1024 x 768), obejmują więcej kontroli niż kategoria podstawowa, a w niektórych przypadkach nawet wprowadza sprzężenie zwrotne dotykowe lub słuchowe. Te funkcje znacznie poprawiają wrażenia użytkownika. W przypadku HMI średniej klasy procesor musi zawierać przyspieszenie graficzne, wydajność średniego zasięgu (od 600 MHz do 1 GHz) oraz bibliotekę graficzną, aby pomóc w zbudowaniu GUI.
High-end HMIs are naturally multimedia-rich. They require high-end SoCs with high-definition video support, 2D and 3D graphics gas pedals, and high-performance processors (multi-core and >1 GHz), który może znacznie skorzystać z DSP na chipie, aby przyspieszyć przetwarzanie audio i wideo. Ponadto wysokiej klasy HMI często wymagają procesorów, które mogą obsługiwać wiele wyjść ekranowych o wysokiej rozdzielczości i HTML5. Jednym z przykładów jest rodzina procesora Sitara oparta na rdzeniu ARM Cortex-A, który zapewnia skalowalność potrzebną do opracowania pojedynczej platformy dla podstawowej do wysokiej klasy HMI i wspiera niezawodność przemysłową.
HMI można znaleźć w urządzeniach domowych, automatach, systemach automatyzacji budynków, takich jak panele kontroli pożaru lub windy oraz stacje ładowania pojazdów elektrycznych; Jednak jednym z najczęstszych zastosowań przemysłowych HMI jest automatyzacja fabryczna.
HMIS w fabrycznych systemach automatyzacji w fabrycznych systemach automatyzacji, HMIS Connect Machine Operatory do funkcji sterowania, zwykle programowalne sterowniki logiczne (PLC), które czujniki sterujące, siłowniki i maszyny na podłodze fabrycznej. HMI są również częściej zawierane na maszynach i robotach siebie, aw niektórych przypadkach zarządzaj niektórymi funkcjami kontrolnymi w HMI. Zastosowania te nakładają szereg wymagań procesora w HMI, w tym potrzebę możliwości komunikacji przemysłowej, niezawodności klasy przemysłowej i funkcji bezpieczeństwa.
Standardowa komunikacja przemysłowa Ethernet nie ma cech deterministycznych wymaganych do automatyzacji przemysłowej. W tym miejscu pojawiają się protokoły zaprojektowane do komunikacji przemysłowej. Przemysłowe protokoły Ethernet umożliwiają deterministyczną komunikację w czasie rzeczywistym między różnymi rodzajami urządzeń końcowych w systemie sterowania.
Dla przemysłowego Ethernet utworzono kilkanaście różnych protokołów. Przetwarzanie tych protokołów w HMI wymaga procesora, FPGA lub ASIC. W wielu przypadkach HMI będzie miała procesor hosta i osobny ASIC lub FPGA z pojedynczym protokołem.
Jako alternatywa dla FPGA lub ASICS istnieje zintegrowane rozwiązania, które mogą służyć jako przemysłowy procesor aplikacji Ethernet i silnik komunikacyjny; Rozwiązania te można nawet rozszerzyć, aby obsługiwać wiele protokołów.
Obsługa multiprotokolu w HMIS dodaje bardzo potrzebnej elastyczności branży 4. 0, ponieważ systemy sterowania w inteligentnych fabrykach są często mozaiką różnych rozwiązań z różnymi protokołami. Dzięki wsparciu wieloprotokolu HMI może działać jako brama między różnymi protokołami.
W większości przypadków rośliny o jakości przemysłowej działają 24/7 przez cały rok. Warunki mogą wahać się od dołu do zamarzania do temperatur wrzenia, w zależności od tego, co wytwarza roślina. HMI w zakładzie musi być w stanie wytrzymać te warunki, podobnie jak procesory w nim. Podnosi potrzebę procesorów klasy przemysłowej w fabrycznej automatyzacji HMI.
Procesory klasy przemysłowej muszą być w stanie wytrzymać szeroki zakres temperatur, zwykle -40 do 105 stopni. Ponadto długie godziny pracy sprzętu fabrycznego wymagają intensywnego testowania życia urządzeń. Jedną z miar używanych do pomiaru żywotności urządzenia jest jego czas na zasilanie (PoH), czyli liczba godzin, w których można prawidłowo działać. Procesory o szerokim zakresie temperatur i poh ponad 88, 000 mogą zasadniczo działać przez ponad 10 lat. Większość przemysłowych HMI musi spełniać minimum 100, 000 poh.
Bezpieczeństwo Chociaż HMI i reszta sieci sterowania są zwykle konfigurowane w wewnętrznej sieci Ethernet odizolowanej od głównego Internetu, nadal istnieje możliwość złośliwej strony podsłuchującej lub zmiany komunikacji między HMI a resztą systemu. Aby powstrzymać niechciane zakłócenia, wbudowane procesory często integrują kryptograficzne pedały gazu w celu szyfrowania danych. Secure Boot to kolejna popularna opcja bezpieczeństwa, która może pomóc chronić własność intelektualną producenta HMI.
Inne aspekty HMI, ponieważ HMI jest przede wszystkim interfejsem użytkownika, wymaga użycia popularnych systemów operacyjnych na wysokim poziomie (OS) dla HMIS, obejmują system Windows CE, Android, a Linux Windows CE jest popularny dla HMIS, od wielu lat, Zwłaszcza w przestrzeni automatyzacji fabrycznej, ale Android i Linux zyskują uwagę z kilku powodów. Windows CE jest popularny w HMI od wielu lat, szczególnie w automatyzacji fabrycznej, ale Android i Linux zyskali uwagę z kilku powodów.
Po pierwsze, Android i Linux to systemy operacyjne open source, co oznacza, że można je wdrożyć. Ponadto, ponieważ są one open source, istnieje duża społeczność, która obsługuje oprogramowanie i zapewnia przykładowy kod dla każdego systemu operacyjnego.
Android jest popularny w systemach, w których duża liczba użytkowników będzie interakcja z HMI, na przykład w automatach lub urządzeniach. Android jest już popularny na rynku przenośnym, więc krzywa uczenia się jest zminimalizowana dla nowo przybyłych do HMI, którzy mogą już zapoznać się z systemem operacyjnym.
W automatyzacji fabrycznej Linux stał się prawdopodobnym wyborem, ponieważ jest powszechnie rozpoznawany jako stabilny, niezawodny i bezpieczny. Wiele przemysłowych HMI nie potrzebuje wszystkich funkcji związanych z Androidem. Z drugiej strony Linux obsługuje również frameworki, takie jak QT i Open Graphics Library (OpenGL), które pomagają budować skuteczne GUI.
Kolejną cechą, która zyskuje na popularności w HMIS, jest wirtualizacja. Jak wspomniano wcześniej, HMI są powszechnie zintegrowane z innymi urządzeniami końcowymi, takimi jak PLC, roboty przemysłowe i maszyny CNC. Jedną z metod integracji jest posiadanie osobnych procesorów dla HMI i innych aplikacji, ale może to być drogie i wymagać dodatkowej przestrzeni planszowej.
Innym podejściem jest użycie jednego procesora wielordzeniowego, z jednym rdzeniem poświęconym HMI i drugim rdzeniem poświęconym aplikacji. W zależności od tego, czy wymagana jest operacja w czasie rzeczywistym, rdzenie mogą uruchamiać różne systemy operacyjne, takie jak RTOS i Linux.
Podsumowując HMI, obejmuje szeroki zakres aplikacji końcowych na wszystkich poziomach wydajności, ale mają niektóre wspólne funkcje, w tym GUI, łączność z systemami sterowania i kontrolę dotykową. Procesor musi być w stanie obsługiwać przynajmniej te podstawowe wymagania HMI. Podstawowe, średnie i wysokiej klasy HMI mogą dalej korzystać z tych funkcji, w tym grafiki o wysokiej rozdzielczości, przeglądaniu internetowym, wideo i obsługi wielu ekranów.