HMI چیست؟ کاربرد اچ ام آی در اتوماسیون صنعتی

دستگاه HMI، یک نمایشگر هوشمند صنعتی است که به اپراتور اجازه می‌دهد وضعیت دستگاه‌ها و فرآیندهای تولید را به‌صورت لحظه‌ای مشاهده و کنترل کند و از طریق آن با کنترل‌کننده‌هایی مانند PLC در ارتباط باشد. این دستگاه جایگزین بسیاری از کلیدها و نشانگرهای مکانیکی تابلوهای برق قدیمی شده و اطلاعات فنی و پیچیده سیستم‌های اتوماسیون را به شکل نمودار، آیکون و هشدارهای تصویری ساده و قابل فهم نمایش می‌دهد. به این ترتیب، اپراتور می‌تواند عملکرد تجهیزات را راحت‌تر بررسی کند، مشکلات را سریع‌تر تشخیص دهد و فرآیند کنترل و عیب‌یابی دستگاه‌های صنعتی را با سرعت بیشتری انجام دهد.

HMI چیست؟

اچ‌ام‌آی، مخفف عبارت Human Machine Interface و به معنای رابط انسان و ماشین است. این سیستم از یک نمایشگر و نرم‌افزار تشکیل شده و ارتباط اپراتور با دستگاه‌های صنعتی را برقرار می‌کند. پیش از استفاده از HMI، اپراتورها برای کنترل ماشین‌آلات از شستی‌های استارت و استپ، انواع کلید برق صنعتی، چراغ‌های هشدار و نشانگرهای عقربه‌ای استفاده می‌کردند. تعداد زیاد این تجهیزات باعث شلوغی تابلوهای برق و افزایش سیم‌کشی می‌شد و بررسی وضعیت دستگاه‌ها را دشوارتر می‌کرد. HMI این امکانات را در یک نمایشگر قابل برنامه‌ریزی جمع کرده است تا اپراتور بتواند وضعیت دستگاه را مشاهده کند و فرمان‌های لازم را از همان صفحه به آن بدهد.

در واقع، اچ‌ام‌آی اطلاعات دریافتی از سنسورها، انواع درایو AC و DC و کنترل‌کننده‌ها را به شکل نمایشگرهای عددی، نمودارها، کلیدهای لمسی و تصاویر متحرک نشان می‌دهد. برای مثال، اپراتور می‌تواند بدون باز کردن انواع تابلو برق، دمای دستگاه، فشار سیستم، سرعت موتورها، وضعیت جک‌ها و میزان تولید را مشاهده کند و در صورت نیاز، تنظیمات یا فرمان‌های لازم را از طریق صفحه نمایش تغییر دهد. برای انجام این کار نیز، نیازی به آشنایی اپراتور با برنامه‌نویسی PLC نیست.

HMI چگونه کار می‌کند؟

HMI از طریق ارتباط دوطرفه با کنترل‌کننده‌ای مانند PLC کار می‌کند. ابتدا سنسورهای PLC، اطلاعاتی مانند دما، فشار، سرعت موتور و وضعیت کلیدها را اندازه‌گیری کرده و به ورودی‌های PLC می‌فرستند. PLC این اطلاعات را طبق برنامه خود پردازش و در بخش‌هایی از حافظه به نام تگ (Tag) ذخیره می‌کند. سپس HMI از طریق پورت‌های ارتباطی و پروتکل‌هایی مانند Modbus، Profibus، PROFINET و EtherNet/IP این اطلاعات را دریافت کرده و به شکل اعداد، نمودارها و نشانگرهای رنگی روی نمایشگر نشان می‌دهد. این اطلاعات معمولاً در فاصله‌های زمانی مشخص، حدود ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ میلی‌ثانیه، به‌روزرسانی می‌شوند.

ارتباط HMI و PLC دوطرفه است؛ یعنی اپراتور می‌تواند با لمس کلیدهای صفحه نمایش، فرمان‌هایی مانند روشن کردن پمپ یا تغییر دمای موردنظر را ارسال کند. اچ‌ام‌آی این فرمان را به تگ مربوطه در PLC می‌فرستد و PLC پس از بررسی شرایط ایمنی و مجاز بودن دستور، خروجی مناسب را فعال می‌کند. برای مثال، با روشن شدن پمپ، وضعیت کنتاکتور به PLC بازمی‌گردد و HMI نیز با دریافت این اطلاعات، وضعیت موتور را به شکل «در حال کار» روی صفحه نمایش می‌دهد. به این ترتیب، اپراتور هم فرمان‌های خود را ارسال می‌کند و هم از اجرای درست آن‌ها و وضعیت واقعی دستگاه مطلع می‌شود.

کاربرد HMI در اتوماسیون صنعتی

با استفاده از HMI، اپراتور می‌تواند بخش‌های مختلف دستگاه را از طریق یک صفحه لمسی کنترل کند، عملکرد آن‌ها را زیر نظر بگیرد و در صورت بروز مشکل، سریع‌تر برای رفع آن اقدام کند. این قابلیت در بخش‌های مختلف خطوط تولید کاربرد دارد که مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:

کنترل و نظارت بر خطوط تولید

در خطوط تولید، نظارت بر عملکرد بخش‌های مختلف اهمیت زیادی دارد. HMI به اپراتور این امکان را می‌دهد که حرکت نوار نقاله‌ها، عملکرد ربات‌های صنعتی، سرعت بسته‌بندی و وضعیت ایستگاه‌های کاری را به‌صورت تصویری مشاهده کند. همچنین اپراتور می‌تواند با لمس دکمه‌های روی صفحه، دستگاه‌ها را روشن یا متوقف کند و وضعیت بخش‌های مختلف خط تولید را تغییر دهد.

تنظیم پارامترهای دستگاه

بسیاری از ماشین‌آلات برای تولید محصولات مختلف به تنظیمات متفاوتی نیاز دارند. برای مثال، در دستگاه تزریق پلاستیک یا کوره صنعتی باید سرعت تزریق، زمان خنک‌کاری و دمای بخش‌های مختلف متناسب با مواد اولیه تنظیم شود. HMI این امکان را فراهم می‌کند که اپراتور با انتخاب دستورالعمل موردنظر یا وارد کردن مقادیر جدید از طریق صفحه‌کلید مجازی، تنظیمات دستگاه را تغییر دهد؛ بدون اینکه نیازی به تغییر برنامه PLC یا استفاده از کامپیوتر برنامه‌نویسی باشد.

نمایش خطاها و هشدارهای سیستم

هنگام بروز خرابی یا خارج شدن یک متغیر از محدوده مجاز، اچ‌ام‌آی می‌تواند هشدار صوتی یا تصویری نمایش دهد. برای مثال، قطع فیوز، بروز خطا در درایو یا افزایش دمای موتور همراه با جزئیات روی صفحه مشخص می‌شود. این اطلاعات به تکنسین کمک می‌کند علت احتمالی مشکل را سریع‌تر پیدا کند، تعمیرات لازم را انجام دهد و از آسیب بیشتر به تجهیزات جلوگیری کند.

نمایش و ثبت اطلاعات تولید

اچ‌ام‌آی‌های جدید قابلیت ذخیره اطلاعاتی مانند میزان تولید روزانه، تغییرات دما و فشار در طول زمان و تعداد قطعات معیوب را دارند. این اطلاعات به شکل نمودارهای خطی روی نمایشگر قابل مشاهده هستند و می‌توان آن‌ها را برای بررسی عملکرد تجهیزات، محاسبه شاخص اثربخشی کلی تجهیزات (OEE) و ارزیابی مصرف انرژی، به فایل اکسل یا سیستم‌های مدیریتی مانند SCADA و MES انتقال داد.

اجزای اصلی دستگاه HMI

دستگاه HMI از دو بخش سخت‌افزاری و نرم‌افزاری تشکیل شده است که هرکدام وظیفه مشخصی دارند. در بخش سخت‌افزاری، صفحه‌نمایش TFT LCD و پنل لمسی مقاومتی یا خازنی قرار دارند که امکان مشاهده اطلاعات و وارد کردن فرمان‌ها را برای اپراتور فراهم می‌کنند.CPU  نیز وظیفه اجرای برنامه‌ها، پردازش تصاویر و مدیریت ارتباطات را بر عهده دارد. در کنار آن، حافظه RAM برای اجرای برنامه‌ها و حافظه Flash برای ذخیره سیستم‌عامل، صفحات گرافیکی، فونت‌ها و گزارش‌های کاری استفاده می‌شوند. پورت‌های ارتباطی مانند RS232، RS485، اترنت (RJ45) و USB نیز برای اتصال به پی‌ال‌سی، انتقال برنامه و استفاده از فلش‌مموری در نظر گرفته شده‌اند.

بخش نرم‌افزاری HMI شامل سیستم‌عامل‌هایی مانند Windows CE، لینوکس تعبیه‌شده و RTOS است که اجرای برنامه‌ها را مدیریت می‌کنند. همچنین نرم‌افزارهایی مانند WinCC زیمنس، DOPSoft دلتا و EasyBuilder Pro وین‌تک برای طراحی صفحات گرافیکی و تنظیم عملکرد دستگاه به کار می‌روند. با کمک این نرم‌افزارها می‌توان اطلاعات PLC را به نمایشگرها و نشانگرهای تصویری متصل کرد، سطح دسترسی اپراتورها را تعیین کرد و محاسبات و دستورهای مورد نیاز را در قالب ماکرو و اسکریپت تعریف کرد.

انواع HMI

دستگاه‌های HMI با توجه به نوع کاربرد، اندازه و پیچیدگی سیستم‌های صنعتی و شرایط محیط کار، در مدل‌های مختلفی تولید می‌شوند. این مدل‌ها از نظر نوع نمایشگر، روش کنترل و امکانات نرم‌افزاری با یکدیگر تفاوت دارند که مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:

HMI دکمه‌ای و نمایشگرهای متنی

نمایشگرهای متنی و اچ‌ام‌آی‌های دکمه‌ای، از مدل‌های ساده پنل‌های اپراتوری هستند. این دستگاه‌ها معمولاً یک نمایشگر کوچک تک‌رنگ یا چندرنگ دارند که اطلاعات را به شکل نوشته و عدد نشان می‌دهد. اپراتور نیز از طریق دکمه‌های فیزیکی روی بدنه، فرمان‌های موردنظر را وارد می‌کند. یکی از نمونه‌های پرفروش این گروه، نمایشگر متنی Siemens LOGO! TDE است. قیمت مناسب، ابعاد کوچک و مقاومت در برابر شرایط سخت محیطی، این مدل‌ها را به گزینه‌ای مناسب برای کنترل ماشین‌آلات کوچک و فرآیندهای ساده، به‌ویژه در کارگاه‌های صنعتی و محیط‌های پر از گردوغبار، تبدیل کرده است.

HMI لمسی

اچ‌ام‌آی‌های لمسی یا تاچ‌پنل‌ها از پرکاربردترین نمایشگرها در اتوماسیون صنعتی هستند. این دستگاه‌ها در اندازه‌های مختلف، معمولاً از ۴.۳ تا ۱۵.۶ اینچ و حتی بزرگ‌تر، با صفحه‌نمایش رنگی تولید می‌شوند. اپراتور با لمس صفحه می‌تواند بین بخش‌های مختلف حرکت کند، تنظیمات دستگاه را تغییر دهد و فرمان‌های لازم را ارسال کند. در این مدل‌ها بسیاری از کلیدهای فیزیکی جای خود را به دکمه‌های لمسی داده‌اند. به همین دلیل، امکان طراحی صفحات گرافیکی، نمایش نمودارها و استفاده از تصاویر متحرک برای نشان دادن وضعیت تجهیزات فراهم شده و کار با دستگاه نیز ساده‌تر شده است.

HMI مبتنی بر کامپیوتر و وب

در خطوط تولید بزرگ و اتاق‌های کنترل که به پردازش و نمایش اطلاعات بیشتری نیاز دارند، از کامپیوترهای صنعتی (IPC) برای اجرای نرم‌افزارهای HMI استفاده می‌شود. این سیستم‌ها به دلیل برخورداری از پردازنده و حافظه قدرتمند، امکان ذخیره حجم زیادی از اطلاعات و بررسی داده‌های مربوط به عملکرد تجهیزات را فراهم می‌کنند. در کنار آن‌ها، اچ‌ام‌آی‌های تحت وب قرار دارند که با استفاده از فناوری‌هایی مانند HTML5 و سرورهای داخلی، امکان مشاهده صفحات مانیتورینگ را از طریق مرورگر اینترنت فراهم می‌کنند. به این ترتیب، اپراتور می‌تواند با استفاده از گوشی هوشمند، تبلت یا رایانه، از راه دور به اطلاعات خط تولید دسترسی داشته باشد و وضعیت تجهیزات را بررسی کند.

تفاوت HMI و PLC

HMI و PLC دو بخش مهم در سیستم‌های اتوماسیون صنعتی هستند که وظایف متفاوتی دارند، اما برای کنترل بهتر ماشین‌آلات در کنار یکدیگر کار می‌کنند. PLC یا کنترل‌کننده منطقی برنامه‌پذیر، وظیفه دریافت اطلاعات از سنسورها، پردازش آن‌ها طبق برنامه و ارسال فرمان به قطعاتی مانند موتورها، شیرهای برقی و جک‌های سیستم‌های هیدرولیک و پنوماتیک را بر عهده دارد. به زبان ساده، PLC با توجه به اطلاعات دریافتی تصمیم می‌گیرد که هر بخش دستگاه چه زمانی و چگونه کار کند. این کنترل‌کننده حتی در صورت خاموش شدن یا خرابی HMI نیز می‌تواند برنامه کنترلی خود را اجرا کند.

در مقابل، HMI رابطی است که ارتباط اپراتور با PLC را برقرار می‌کند. این دستگاه اطلاعات ذخیره‌شده در PLC را به شکل عدد، نمودار و تصویر نمایش می‌دهد و امکان ارسال فرمان‌هایی مانند روشن و خاموش کردن دستگاه یا تغییر دما و سرعت را برای اپراتور فراهم می‌کند. بنابراین، تفاوت اصلی این دو در وظیفه آن‌هاست؛ پی‌ال‌سی وظیفه کنترل و اجرای دستورات را بر عهده دارد، اما اچ‌ام‌آی امکان مشاهده وضعیت دستگاه و ارسال فرمان به PLC را فراهم می‌کند.

کاربرد HMI در صنایع مختلف

HMI در هر صنعت متناسب با نوع دستگاه‌ها و نیازهای خط تولید، وظایف متفاوتی بر عهده دارد. این نمایشگر به اپراتور کمک می‌کند عملکرد تجهیزات را بررسی کند، تنظیمات لازم را تغییر دهد و از بروز مشکلات فنی مطلع شود. مهم‌ترین موارد استفاده از آن عبارت‌اند از:

·         صنایع نفت، گاز و پتروشیمی: اپراتور از طریق HMI می‌تواند تغییرات فشار لوله‌ها، دمای مخازن و برج‌های تقطیر و عملکرد پمپ‌ها را بررسی کند. نمایش هشدارهای مربوط به افزایش فشار یا اختلال تجهیزات نیز به شناسایی سریع مشکلات کمک می‌کند. در این محیط‌ها، تجهیزات باید با شرایط ایمنی و خطر احتمالی انفجار سازگار باشند.

·         صنایع غذایی و دارویی: HMI امکان تنظیم دما و زمان پخت، استریلیزاسیون و بسته‌بندی را فراهم می‌کند. همچنین برای کنترل مقدار ترکیب مواد اولیه و ثبت اطلاعات مراحل تولید به کار می‌رود تا کیفیت محصولات در طول فرآیند تولید بهتر بررسی شود.

·         صنایع خودروسازی و ماشین‌سازی: در خطوط مونتاژ خودرو، ربات‌های جوشکاری و دستگاه‌های CNC، HMI وضعیت ماشین‌آلات و مراحل انجام کار را نمایش می‌دهد. اپراتور نیز می‌تواند تنظیمات دستگاه‌ها را تغییر دهد، تعداد محصولات تولیدشده را بررسی کند و از محل بروز خطا مطلع شود.

·         تأسیسات آب و فاضلاب: با کمک HMI می‌توان میزان آب موجود در مخازن، عملکرد پمپ‌ها و جریان آب در مسیرهای انتقال را کنترل کرد. برای مثال، اگر سطح آب از مقدار تعیین‌شده کمتر شود یا پمپی از کار بیفتد، دستگاه می‌تواند این وضعیت را به اپراتور اطلاع دهد.

·         مدیریت هوشمند ساختمان (BMS) و انرژی: اچ‌ام‌آی برای کنترل تجهیزات سرمایشی و گرمایشی، سیستم تهویه و روشنایی ساختمان استفاده می‌شود. همچنین با نمایش میزان مصرف برق و وضعیت دستگاه‌ها، به مدیران کمک می‌کند تجهیزات پرمصرف را شناسایی کنند و برای کاهش مصرف انرژی تصمیم بگیرند.

سوالات متداول درباره HMI

آیا HMI بدون PLC نیز کار می‌کند؟

بله، برخی اچ‌ام‌آی‌ها می‌توانند بدون PLC و به‌صورت مستقیم با تجهیزاتی مانند اینورتر، درایو موتور و کنترلر دما ارتباط برقرار کنند. این ارتباط معمولاً از طریق پروتکل‌هایی مانند Modbus انجام می‌شود. همچنین بعضی مدل‌ها PLC داخلی دارند و هر دو وظیفه کنترل و نمایش اطلاعات را در یک دستگاه انجام می‌دهند. با این حال، در پروژه‌های متوسط و بزرگ که به کنترل‌های پیچیده نیاز دارند، استفاده از PLC مستقل مناسب‌تر است.

آیا برای برنامه‌نویسی HMI باید PLC بلد باشیم؟

برای طراحی صفحات HMI نیازی به تسلط کامل بر برنامه‌نویسی PLC نیست؛ زیرا بیشتر نرم‌افزارهای طراحی اچ‌ام‌آی محیطی گرافیکی دارند. با این حال، آشنایی با اصول کار PLC، تگ‌ها و آدرس‌های حافظه آن ضروری است. این شناخت کمک می‌کند اطلاعات واقعی دستگاه به بخش‌های مختلف صفحه نمایش متصل شوند و فرمان‌های اپراتور به‌درستی به PLC انتقال پیدا کنند.

آیا می‌توان HMI یک برند را به PLC برند دیگری متصل کرد؟

اتصال HMI و PLC از برندهای مختلف، به شرطی امکان‌پذیر است که هر دو از یک پروتکل ارتباطی مشترک، مانند Modbus RTU/TCP، Ethernet/IP یا Profibus پشتیبانی کنند. برای مثال، اچ‌ام‌آی‌های دلتا، وین‌تک و پروفیس می‌توانند با PLCهای برندهایی مانند زیمنس، امرن و آلن بردلی ارتباط برقرار کنند؛ البته باید درایور ارتباطی و تنظیمات هر دو دستگاه با یکدیگر سازگار باشند.

تفاوت HMI صنعتی با نمایشگر معمولی چیست؟

اچ‌ام‌آی صنعتی برای کار مداوم در محیط‌های کارگاهی و کارخانه‌ای ساخته شده است. این دستگاه در برابر عواملی مانند گردوغبار، رطوبت، لرزش و نویزهای الکتریکی مقاومت بیشتری دارد و معمولاً با درجه حفاظت‌هایی مانند IP65 و IP66 عرضه می‌شود. همچنین پورت‌های ارتباطی صنعتی و محدوده دمای کاری گسترده‌تری دارد؛ در حالی که نمایشگرهای معمولی برای چنین شرایطی طراحی نشده‌اند.