Что такое человеко-машинный интерфейс (HMI)?

Программируемые логические контроллеры предназначены для ввода различных типов сигналов (дискретных, аналоговых), выполнения алгоритмов управления на этих сигналах, а затем вывода сигналов в ответ на процессы управления. Сам по себе ПЛК обычно не имеет возможности отображать значения сигналов и переменные алгоритма операторам-человекам.

Техник или инженер, имеющий доступ к персональному компьютеру и необходимому программному обеспечению для редактирования программы ПЛК, может подключиться к ПЛК и просматривать состояние программы «онлайн» для мониторинга значений сигналов и состояний переменных, но это непрактичный способ для эксплуатационного персонала. для регулярного мониторинга того, что делает ПЛК.

Чтобы операторы могли отслеживать и корректировать параметры внутри памяти ПЛК, нам нужен другой тип интерфейса, позволяющий читать и записывать определенные переменные без ущерба для целостности ПЛК, предоставляя слишком много информации или позволяя любому неквалифицированному лицу изменять программу. сам.

Одним из решений этой проблемы является специальный компьютерный дисплей, запрограммированный для обеспечения избирательного доступа к определенным переменным в памяти ПЛК, обычно называемый человеко-машинным интерфейсом или HMI.

HMI могут принимать форму компьютеров общего назначения («персональных»), на которых установлено специальное графическое программное обеспечение для взаимодействия с ПЛК, или компьютеров специального назначения, предназначенных для установки на лицевой панели из листового металла и не выполняющих никаких задач, кроме интерфейса оператора-ПЛК. .

На этой первой фотографии показан пример обычного персонального компьютера (ПК) с установленным на нем программным обеспечением HMI:

Показанный здесь дисплей предназначен для мониторинга примера процесса вакуумной кач-адсорбции (VSA) для очистки кислорода, извлеченного из окружающего воздуха. Где-то ПЛК (или совокупность ПЛК) контролирует и контролирует этот процесс VSA, а программное обеспечение HMI действует как «окно» в память ПЛК для отображения соответствующих переменных в форме, удобной для интерпретации операционным персоналом. Персональный компьютер, на котором установлено это программное обеспечение HMI, подключается к ПЛК через цифровые сетевые кабели, например Ethernet.

Примечание. Раньше для панели интерфейса оператора использовался термин «человеко-машинный интерфейс» или «MMI».

На следующей фотографии показан пример специальной панели HMI, разработанной и изготовленной специально для использования в промышленных условиях:

Эти панели HMI на самом деле представляют собой не что иное, как «защищенные» персональные компьютеры, построенные прочно и в компактном формате, чтобы облегчить их использование в промышленных средах.

Большинство промышленных панелей HMI оснащены сенсорными экранами, позволяющими операторам нажимать кончиками пальцев на отображаемые объекты для переключения экранов, просмотра деталей отдельных частей процесса и т. д.

Техники и/или инженеры программируют дисплеи HMI для чтения и записи данных через цифровую сеть в один или несколько ПЛК.

Графические объекты, расположенные на экране дисплея HMI, часто имитируют реальные индикаторы и переключатели, чтобы обеспечить знакомый интерфейс для оперативного персонала.

Например, объект «кнопка» на лицевой панели панели HMI будет настроен на запись одного бита данных в ПЛК, аналогично реальному переключателю, записывающему один бит данных во входной регистр ПЛК.

Современные панели и программное обеспечение HMI почти исключительно основаны на тегах: каждый графический объект на экране связан как минимум с одним именем тега данных, которое, в свою очередь, связано с точками данных (битами или словами) в ПЛК посредством тега. файл базы данных имен, находящийся в HMI.

Графические объекты на экране HMI либо принимают (читают) данные из ПЛК для предоставления полезной информации оператору, либо отправляют (записывают) данные в ПЛК из ввода оператора, либо и то, и другое.

Задача программирования устройства HMI состоит из создания базы данных имен тегов, а затем рисования экранов, иллюстрирующих процесс с таким уровнем детализации, который потребуется операторам для его запуска.

Здесь показан пример снимка экрана таблицы базы данных имен тегов для современного HMI:

Доступ к базе данных имен тегов и ее редактирование осуществляется с помощью того же программного обеспечения для создания графических изображений в HMI.

В этом примере вы можете увидеть несколько имен тегов (например, КНОПКА ПУСКА, ТАЙМЕР РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ, СООБЩЕНИЕ ОБ ОШИБКЕ, СКОРОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ), связанных с точками данных в памяти ПЛК (в этом примере адреса ПЛК показаны в формате регистра Modbus).

Во многих случаях редактор имен тегов сможет отображать соответствующие точки памяти ПЛК таким же образом, как они отображаются в программном обеспечении редактора программирования ПЛК (например, I:5/10, SM0.4, C11 и т. д.).

Важная деталь, которую следует отметить при отображении базы данных имен тегов, — это атрибуты чтения/записи каждого тега.

Обратите особое внимание на то, что четыре из показанных тегов доступны только для чтения: это означает, что HMI имеет разрешение только на чтение значений этих четырех тегов из памяти ПЛК, но не на запись (изменение) этих значений.

Причина этого в случае с этими четырьмя тегами заключается в том, что эти теги относятся к точкам входных данных ПЛК. Например, тег START PUSHBUTTON относится к дискретному входу в ПЛК, на который подается питание от реального кнопочного переключателя.

Таким образом, эта точка данных получает свое состояние от подачи питания на клемму дискретного входа. Если бы HMI было предоставлено разрешение на запись для этой точки данных, скорее всего, возник бы конфликт.

Предположим, что на входную клемму ПЛК было подано напряжение (бит START PUSHBUTTON установлен в состояние «1»), и HMI одновременно попытался записать состояние «0» в тот же тег.

Один из этих двух источников данных выиграет, а другой проиграет, что может привести к неожиданному поведению программы ПЛК.

По этой причине точки данных в ПЛК, связанные с реальными входами, всегда должны быть ограничены разрешением «только для чтения» в базе данных HMI, чтобы HMI не мог создать конфликт.

Однако вероятность конфликта данных существует и для некоторых других точек базы данных.

Хорошим примером этого является бит MOTOR RUN, который в программе ПЛК сообщает реальному двигателю о необходимости работы.

Предположительно, этот бит получает данные из катушки в программе лестничных диаграмм ПЛК. Однако, поскольку он также присутствует в базе данных HMI с разрешением на чтение/запись, существует вероятность того, что HMI перезапишет (т. е. приведет к конфликту) этот же бит в памяти ПЛК.

Предположим, кто-то запрограммировал переключаемый экранный объект «кнопка» в HMI, связанный с этим тегом: нажатие этой виртуальной «кнопки» на экране HMI попытается установить бит (1), а повторное нажатие попытается сбросить бит (0 ).

Однако, если в этот же бит записывается катушка в программе ПЛК, существует явная вероятность того, что объект «кнопка» ЧМИ и катушка ПЛК будут конфликтовать: кто-то пытается сообщить биту значение «0», в то время как другой пытается сообщить этому биту значение «1».

This situation is quite similar to the problem experienced when multiple coils in a Ladder Diagram program are addressed to the same bit.

The general rule to follow here is never allow more than one element to write to any data point. In my experience teaching PLC and HMI programming, this is one of the more common errors students make when first learning to program HMIs: they will try to have both the HMI and the PLC writing to the same memory locations, with weird results.

One of the lessons you will learn when programming large, complex systems is that it is very beneficial to define all the necessary tag names before beginning to lay out graphics in an HMI.

The same goes for PLC programming: it makes the whole project go faster with less confusion if you take the time to define all the necessary I/O points (and tag names, if the PLC programming software supports tag names in the programming environment) before you begin to create any code specifying how those inputs and outputs will relate to each other.

Maintaining a consistent convention for tag names is important, too. For example, you may wish to begin the tag name of every hard-wired I/O point as either INPUT or OUTPUT (e.g. INPUT PRESSURE SWITCH HIGH, OUTPUT SHAKER MOTOR RUN, etc.).

The reason for maintaining a strict naming convention is not obvious at first, since the whole point of tag names is to give the programmer the freedom to assign arbitrary names to data points in the system.

However, you will find that most tag name editors list the tags in alphabetical order, which means a naming convention organized in this way will present all the input tags contiguously (adjacent) in the list, all the output tags contiguously in the list, and so on.

Another way to leverage the alphabetical listing of tag names to your advantage is to begin each tag name with a word describing its association to a major piece of equipment.

Take for instance this example of a process with several data points defined in a PLC control system and displayed in an HMI:

If we list all these tags in alphabetical order, the association is immediately obvious:

• Exchanger effluent pump
• Exchanger effluent temp out
• Exchanger preheat pump
• Exchanger preheat temp in
• Exchanger preheat valve
• Reactor bed temp
• Reactor feed flow
• Reactor feed temp
• Reactor jacket valve

As you can see from this tag name list, all the tags directly associated with the heat exchanger are located in one contiguous group, and all the tags directly associated with the reactor are located in the next contiguous group.

In this way, judicious naming of tags serves to group them in hierarchical fashion, making them easy for the programmer to locate at any future time in the tag name database.

You will note that all the tag names shown here lack space characters between words (e.g. instead of “Reactor bed temp”, a tag name should use hyphens or underscore marks as spacing characters: “Reactor bed temp”), since spaces are generally assumed by computer programming languages to be delimiters (separators between different variable names).

Like programmable logic controllers themselves, the capabilities of HMIs have been steadily increasing while their price decreases.

Modern HMIs support graphic trending, data archival, advanced alarming, and even web server ability allowing other computers to easily access certain data over wide-area networks.

The ability of HMIs to log data over long periods of time relieves the PLC of having to do this task, which is very memory-intensive.

This way, the PLC merely “serves” current data to the HMI, and the HMI is able to keep a record of current and past data using its vastly larger memory reserves.

If the HMI is based on a personal computer platform (e.g. Rockwell RSView, Wonderware, FIX/Intellution software), it may even be equipped with a hard disk drive for enormous amounts of historical data storage.

Some modern HMI panels even have a PLC built inside the unit, providing control and monitoring in the same device.

Such panels provide terminal strip connection points for discrete and even analog I/O, allowing all control and interface functions to be located in a single panel-mount unit.