كل آلة كهربائية أو ميكانيكية يتم التحكم فيها لها واجهة بشرية للآلة (HMI) في شكل أزرار أو رافعات أو شاشات تعمل باللمس. على مستوى عال ، لدى HMI ثلاثة عناصر أساسية: المدخلات ، والمخرجات ، وشيء للتعامل مع التحولات بين الاثنين.
بينما ننتقل إلى الصناعة 4. 0 عصر ، أصبح هذا النموذج أكثر تعقيدًا. يضيف المصممون واجهات المستخدم الرسومية (GUIs) ، والانتقال من الأزرار المادية إلى الأزرار الافتراضية على واجهة المستخدم الرسومية ، مما يزيد من عدد المهام التي يمكن أن تؤديها HMI ، وحتى عرض ملاحظات الأداء في أنظمة الحلقة المغلقة.
متطلبات معالج HMI العامة ، قد يكون لدى HMIs عدد من المتطلبات للمعالجات المدمجة ، اعتمادًا على تطبيق الاستخدام النهائي المقصود. هناك أربعة مستويات من أداء HMI: المبتدئين ، الأساسيين ، المتوسط ، والعالي.
HMIs على مستوى الدخول لها واجهة مستخدم أساسية للغاية. عادةً ما تكون شاشة الإخراج عبارة عن مجموعة رسومات فيديو ربع (QVGA) ، تصل إلى 320 × 240 ، ولديها الحد الأدنى من الرسومات ثنائية الأبعاد. هذه HMIs مخصصة للتطبيقات الحساسة للتكلفة التي تتطلب فقط أساسيات واجهة التحكم. قد يستخدم المصممون شاشات اللمس المقاومة هنا لأنها أكثر اقتصادا من شاشات اللمس بالسعة.
ليس فقط شاشات اللمس المقاومة أقل تكلفة من شاشات اللمس بالسعة ، ولكن قد تكون تكلفة BOM أقل أيضًا لأن بعض المعالجات يمكن أن تدعم شاشات اللمس المقاومة ، في حين أن اللمسات السعية تتطلب في بعض الأحيان مكونات خارجية. هذا النوع من HMI هو الأنسب للمعالجات ذات الأداء المنخفض (<300 MHz) or microcontrollers that support resistive touchscreens.
تضيف HMIs الأساسية دقة عرض محسّنة وواجهة مستخدم أفضل من HMIs على مستوى الدخول. سيكون لدى HMI الأساسي عبارة عن دقة شاشة تعمل باللمس-دقة شاشة تصل إلى صفيف الرسومات الممتد (XGA) (1024 × 768) لتجربة مستخدم محسنة. اعتمادًا على قوة معالجة التطبيقات المطلوبة ، ستكون هذه المعالجات في نطاق الأداء المنخفض إلى الوسط (300 ميجاهرتز إلى 800 ميجا هرتز) وقد تستفيد من دواسات غاز الرسومات ثنائية الأبعاد.
تعكس HMIS متوسطة المدى واجهة المستخدم الرسومية النموذجية التي يمكن للمستخدمين تفاعلها بشكل يومي. تحتوي HMIs متوسطة المدى على رسومات ثنائية الأبعاد ، وتتضمن قرارات العرض حتى XGA (1،024 × 768) ، وتشمل عناصر تحكم أكثر من فئة الأساس ، وفي بعض الحالات تقدم ردود الفعل اللمسية أو السمعية. هذه الميزات تحسين تجربة المستخدم بشكل كبير. بالنسبة إلى HMIs متوسطة المدى ، يجب أن يتضمن المعالج تسارع الرسومات ، والأداء متوسط المدى (600 ميغاهيرتز إلى 1 جيجا هرتز) ، ومكتبة رسومات للمساعدة في بناء واجهة المستخدم الرسومية.
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 جيجاهرتز) ، والتي يمكن أن تستفيد بشكل كبير من DSPs على الرقاقة للمساعدة في تسريع معالجة الصوت والفيديو. بالإضافة إلى ذلك ، غالبًا ما تتطلب HMIs المتطورة معالجات يمكنها التعامل مع مخرجات شاشة عالية الدقة و HTML5. أحد الأمثلة على ذلك هو عائلة معالج Sitara استنادًا إلى Cortex-A Arm-A ، والتي توفر قابلية التوسع اللازمة لتطوير منصة واحدة للدخول إلى HMIs المتطورة ويدعم الموثوقية الصناعية.
يمكنك العثور على HMIS في الأجهزة المنزلية ، وآلات البيع ، وأنظمة أتمتة البناء مثل لوحات التحكم في الحرائق أو المصاعد ، ومحطات شحن السيارات الكهربائية ؛ ومع ذلك ، فإن أحد أكثر الاستخدامات شيوعًا للـ HMIs الصناعية هو في أتمتة المصنع.
HMIS في أنظمة أتمتة المصنع في أنظمة أتمتة المصنع ، ومشغلي آلات HMIS Connect للتحكم في وظائف ، وعادة ما يتم توصيل وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) ، والتي تتحكم في أجهزة الاستشعار والمحركات والآلات على أرضية المصنع. أنفسهم ، وفي بعض الحالات ، يديرون بعض وظائف التحكم داخل HMI. تضع هذه التطبيقات عددًا من المطالب على المعالج في HMI ، بما في ذلك الحاجة إلى قدرات الاتصالات الصناعية وموثوقية الصف الصناعي وميزات الأمان.
لا يحتوي Ethernet على مستوى الاتصالات الصناعية على الميزات الحتمية المطلوبة للأتمتة الصناعية. هذا هو المكان الذي تدخل فيه البروتوكولات المصممة للاتصالات الصناعية. تتيح بروتوكولات Ethernet الصناعية الاتصالات الحتمية المطلوبة بين أنواع مختلفة من الأجهزة النهائية في نظام التحكم.
تم إنشاء أكثر من عشرة بروتوكولات مختلفة من أجل Ethernet الصناعي. تتطلب معالجة هذه البروتوكولات في HMI معالجًا أو FPGA أو ASIC. في كثير من الحالات ، سيكون لدى HMI معالج المضيف ومعالج ASIC أو FPGA منفصل يدير بروتوكول واحد.
كبديل لـ FPGAs أو ASIC ، توجد حلول متكاملة يمكن أن تكون بمثابة معالج تطبيقات Ethernet الصناعي ومحرك الاتصالات ؛ يمكن حتى تمديد هذه الحلول لدعم بروتوكولات متعددة.
يضيف دعم متعدد البروتوكول في HMIS المرونة التي تمس الحاجة إليها إلى الصناعة 4. بدعم متعدد البروتوكول ، يمكن لـ HMI بمثابة بوابة بين بروتوكولات مختلفة.
في معظم الحالات ، تعمل المصانع ذات الجودة الصناعية على مدار السنة على مدار الساعة. ويمكن أن تختلف الظروف من أقل من التجميد إلى درجات حرارة الغليان ، اعتمادًا على ما ينتجه المصنع. يجب أن تكون HMI في المصنع قادرة على تحمل هذه الشروط ، وكذلك يجب على المعالجات فيه. إنه يرفع الحاجة إلى معالجات الصف الصناعي في أتمتة المصنع HMIS.
يجب أن تكون معالجات الدرجة الصناعية قادرة على تحمل مجموعة واسعة من درجات الحرارة ، وعادة ما تكون درجة {1}} إلى 105 درجة. بالإضافة إلى ذلك ، تتطلب ساعات التشغيل الطويلة من معدات المصنع اختبارًا واسعًا لحياة الجهاز. أحد المقياس المستخدم لقياس عمر الجهاز هو وقت الطاقة (POH) ، وهو عدد الساعات التي يمكن تشغيلها وتشغيلها بشكل صحيح. يمكن أن تعمل المعالجات ذات النطاق الواسع لدرجة الحرارة و POH لأكثر من 88 ، 000 بشكل أساسي لأكثر من 10 سنوات. تحتاج معظم HMIs الصناعية إلى تلبية 100 ، 000 poh.
على الرغم من أن HMI وبقية شبكة التحكم يتم تكوينها عادة على شبكة Ethernet الداخلية المعزولة عن الإنترنت الرئيسي ، لا يزال هناك إمكانية للتنصت على الطرف الضار على الاتصالات أو تغييرها بين HMI وبقية النظام. للمساعدة في إيقاف التداخل غير المرغوب فيه ، غالبًا ما تدمج المعالجات المدمجة دواسات الغاز التشفير لتشفير البيانات. يعد Secure Boot خيارًا أمانًا شائعًا آخر يمكن أن يساعد في حماية الملكية الفكرية للشركة المصنعة لـ HMI.
إن جوانب HMI الأخرى لأن HMI هي في المقام الأول واجهة مستخدم ، فهي تتطلب استخدام أنظمة التشغيل الشهيرة (OS) عالية المستوى (OS) لـ HMIs تشمل Windows CE و Android و Linux Windows CE شائعًا لـ HMIS لسنوات عديدة ، خاصة في مساحة أتمتة المصنع ، لكن Android و Linux يكتسبان الاهتمام لعدة أسباب. تحظى Windows CE بشعبية في HMIS لسنوات عديدة ، وخاصة في أتمتة المصنع ، لكن Android و Linux اكتسبوا اهتمامًا لعدة أسباب.
أولاً ، يعد Android و Linux أنظمة تشغيل مفتوحة المصدر ، مما يعني أنهما حرة في التنفيذ. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأنها مفتوحة المصدر ، فهناك مجتمع كبير يدعم البرنامج ويوفر رمز عينة لكل نظام تشغيل.
يحظى Android بشعبية في الأنظمة التي يتفاعل فيها عدد كبير من المستخدمين مع HMI ، كما هو الحال في آلات البيع أو الأجهزة. يحظى Android بشعبية بالفعل في السوق المحمولة ، وبالتالي يتم تقليل منحنى التعلم للوافدين الجدد إلى HMIS الذين قد يكونون بالفعل على دراية بنظام التشغيل.
في أتمتة المصنع ، أصبح Linux هو الخيار المحتمل لأنه معترف به على نطاق واسع على أنه مستقر وموثوق وآمن. لا تحتاج العديد من HMIs الصناعية إلى جميع الميزات التي تأتي مع Android. من ناحية أخرى ، يدعم Linux أيضًا أطر عمل مثل QT ومكتبة الرسومات المفتوحة (OpenGL) ، مما يساعد على بناء واجهة المستخدم الرسومية الفعالة.
ميزة أخرى تكتسب شعبية في HMIS هي المحاكاة الافتراضية. كما ذكرنا سابقًا ، يتم دمج HMIS بشكل شائع مع الأجهزة النهائية الأخرى مثل PLCs والروبوتات الصناعية وآلات CNC. تتمثل إحدى طرق التكامل في الحصول على معالجات منفصلة لـ HMI والتطبيقات الأخرى ، ولكن هذا قد يكون مكلفًا ويتطلب مساحة إضافية للوحة.
هناك طريقة أخرى تتمثل في استخدام معالج واحد متعدد النواة ، مع تخصيص جوهر واحد لـ HMI وآخر مخصص للتطبيق. اعتمادًا على ما إذا كانت التشغيل في الوقت الفعلي مطلوبًا ، يمكن للنوى تشغيل أنظمة تشغيل مختلفة مثل RTOs و Linux.
لتلخيص HMIS تغطي مجموعة واسعة من تطبيقات الاستخدام النهائي على جميع مستويات الأداء ، ولكن لديها بعض الميزات المشتركة بما في ذلك واجهة المستخدم الرسومية والاتصال للأنظمة والتحكم القائم على اللمس. يجب أن يكون المعالج قادرًا على دعم متطلبات HMI على مستوى الدخول على الأقل. يمكن لـ HMIs الأساسية والمتوسطة والراقية الاستفادة من هذه الميزات ، بما في ذلك الرسومات عالية الدقة وتصفح الويب والفيديو والدعم متعدد الشاشة.