Ogni macchina elettrica o meccanica controllata ha un'interfaccia di macchina umana (HMI) sotto forma di pulsanti, leve o touchscreen. Ad alto livello, l'HMI ha tre elementi di base: input, output e qualcosa per gestire le transizioni tra i due.
Mentre ci spostiamo nel settore 4. 0 era, questo modello sta diventando un po 'più complesso. I progettisti stanno aggiungendo interfacce utente grafiche (GUI), passando da pulsanti fisici a quelli virtuali sulla GUI, aumentando il numero di compiti che l'HMI può eseguire e persino visualizzare feedback sulle prestazioni nei sistemi a circuito chiuso.
I requisiti generali del processore HMI HMIS possono avere una serie di requisiti per i processori incorporati, a seconda della loro applicazione di uso finale previsto. Ci sono quattro livelli di prestazioni HMI: entry-level, base, media e fascia alta.
Gli HMI entry-level hanno un'interfaccia utente molto semplice. La schermata di output è in genere un quarto di grafica video (QVGA), fino a 320 x 240 e ha una grafica 2D minima. Questi HMI sono destinati a applicazioni sensibili ai costi che richiedono solo le basi di un'interfaccia di controllo. I progettisti possono utilizzare touchscreen resistivi qui perché sono più economici del touchscreen capacitivo.
Non solo i touchscreen resistivi sono meno costosi dei touchscreen capacitivi, ma il costo del BOM può anche essere più basso perché alcuni processori possono supportare nativamente i touchscreen resistivi, mentre i tocchi capacitivi a volte richiedono componenti esterni. Questo tipo di HMI è più adatto per i processori a bassa prestazione (<300 MHz) or microcontrollers that support resistive touchscreens.
HMIS di base Aggiungi una risoluzione del display migliorata e un'interfaccia utente migliore rispetto agli HMI entry-level. Un HMI di base avrà un touchscreen-tipicamente resistivo e una risoluzione del display fino all'array grafico esteso (XGA) (1.024 x 768) per un'esperienza utente migliorata. A seconda della potenza di elaborazione dell'applicazione richiesta, tali processori saranno nell'intervallo di prestazioni a bassa a mezza (da 300 MHz a 800 MHz) e possono beneficiare di pedali a gas grafica 2D.
Gli HMI di fascia media rispecchiano più da vicino la GUI tipica con cui gli utenti possono interagire su base giornaliera. Gli HMI di fascia media hanno una grafica 2D, visualizzare risoluzioni fino a XGA (1.024 x 768), includono più controlli rispetto alla categoria di base e in alcuni casi anche introdurre feedback tattili o uditivi. Queste funzionalità migliorano notevolmente l'esperienza dell'utente. Per HMIS di fascia media, il processore deve includere l'accelerazione grafica, le prestazioni di fascia media (da 600 MHz a 1 GHz) e una libreria grafica per aiutare a costruire la 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), che può beneficiare notevolmente dei DSP su chip per aiutare ad accelerare l'elaborazione audio e video. Inoltre, gli HMI di fascia alta richiedono spesso processori in grado di gestire più uscite dello schermo ad alta risoluzione e HTML5. Un esempio è la famiglia del processore Sitara basato sul core ARM Cortex-A, che fornisce la scalabilità necessaria per sviluppare un'unica piattaforma per l'HMIS entry-livello e di fascia alta e supporta l'affidabilità industriale.
È possibile trovare HMIS in elettrodomestici, distributori automatici, sistemi di automazione dell'edificio come pannelli di controllo antincendio o ascensori e stazioni di ricarica dei veicoli elettrici; Tuttavia, uno degli usi più comuni degli HMI industriali è l'automazione di fabbrica.
HMIS Nei sistemi di automazione di fabbrica nei sistemi di automazione di fabbrica, operatori di macchine HMIS per controllare le funzioni, solitamente i controller logici programmabili (PLC), che controllano sensori, attuatori e macchine sul pavimento di fabbrica. Anche gli hmis sono più comunemente inclusi sulle macchine e sui robot se stessi e, in alcuni casi, gestiscono alcune delle funzioni di controllo all'interno dell'HMI. Queste applicazioni pongono una serie di richieste sul processore nell'HMI, compresa la necessità di capacità di comunicazione industriale, affidabilità di livello industriale e funzionalità di sicurezza.
Ethernet standard di comunicazione industriale non ha le caratteristiche deterministiche richieste per l'automazione industriale. È qui che entrano in gioco protocolli progettati per le comunicazioni industriali. I protocolli Ethernet industriali consentono le comunicazioni deterministiche in tempo reale necessarie tra i diversi tipi di dispositivi finali in un sistema di controllo.
Sono stati creati più di una dozzina di protocolli diversi per Ethernet industriale. L'elaborazione di questi protocolli in un HMI richiede un processore, FPGA o ASIC. In molti casi, l'HMI avrà un processore host e un ASIC o un FPGA separato che esegue un singolo protocollo.
In alternativa a FPGA o ASIC, esistono soluzioni integrate che possono fungere da processore di applicazione Ethernet industriale e motore di comunicazione; Queste soluzioni possono anche essere estese per supportare più protocolli.
Il supporto multi-protocollo in HMIS aggiunge una flessibilità necessaria all'industria 4. 0, poiché i sistemi di controllo nelle fabbriche intelligenti sono spesso un patchwork di diverse soluzioni che eseguono protocolli diversi. Con il supporto multi-protocollo, l'HMI può fungere da gateway tra diversi protocolli.
Nella maggior parte dei casi, gli impianti di qualità industriale operano 24 ore su 24, 7 giorni su 7. E le condizioni possono variare dallo zero al di sotto delle temperature bollenti, a seconda di ciò che la pianta produce. L'HMI nell'impianto deve essere in grado di resistere a queste condizioni, e così devono anche i processori. Aumenta la necessità di processori di livello industriale negli HMI di automazione di fabbrica.
I processori di livello industriale devono essere in grado di resistere a un'ampia gamma di temperature, in genere -40 grado a 105 gradi. Inoltre, le lunghe ore operative delle apparecchiature di fabbrica richiedono estesi test di durata del dispositivo. Una metrica usata per misurare la durata di un dispositivo è il suo tempo di accensione (POH), che è il numero di ore che può essere alimentata e funzionante correttamente. I processori con un ampio intervallo di temperatura e un poh di oltre 88, 000 possono essenzialmente funzionare per più di 10 anni. La maggior parte degli HMI industriali deve soddisfare un minimo di 100, 000 poh.
Sicurezza Sebbene l'HMI e il resto della rete di controllo siano in genere configurati su una rete Ethernet interna isolata da Internet principale, esiste ancora la possibilità che una festa dannosa si schiererà o altera le comunicazioni tra l'HMI e il resto del sistema. Per aiutare a fermare interferenze indesiderate, i processori incorporati spesso integrano i pedali di gas crittografici per crittografare i dati. Secure Boot è un'altra opzione di sicurezza popolare che può aiutare a proteggere la proprietà intellettuale del produttore HMI.
Altri aspetti di HMI perché un HMI è principalmente un'interfaccia utente, richiede l'uso di un sistema operativo popolare di alto livello (OS) per HMIS includono Windows CE, Android e Linux Windows CE è stato popolare per HMI per molti anni, Soprattutto nello spazio di automazione della fabbrica, ma Android e Linux stanno guadagnando attenzione per diversi motivi. Windows CE è stato popolare in HMIS per molti anni, specialmente nell'automazione di fabbrica, ma Android e Linux hanno attirato l'attenzione per diversi motivi.
Innanzitutto, Android e Linux sono sistemi operativi open source, il che significa che sono liberi di implementare. Inoltre, poiché sono open source, esiste una grande comunità che supporta il software e fornisce codice di esempio per ciascun sistema operativo.
Android è popolare nei sistemi in cui un gran numero di utenti interagerà con l'HMI, come nei distributori automatici o negli elettrodomestici. Android è già popolare nel mercato portatile, quindi la curva di apprendimento è ridotta al minimo per i nuovi arrivati agli HMI che potrebbero già avere familiarità con il sistema operativo.
In automazione di fabbrica, Linux è diventata la probabile scelta perché è ampiamente riconosciuta come stabile, affidabile e sicura. Molti HMI industriali non hanno bisogno di tutte le caratteristiche fornite con Android. D'altra parte, Linux supporta anche framework come QT e Open Graphics Library (OpenGL), che aiuta a costruire GUI efficaci.
Un'altra caratteristica che sta guadagnando popolarità in HMIS è la virtualizzazione. Come accennato in precedenza, gli HMI sono comunemente integrati con altri dispositivi finali come PLC, robot industriali e macchine a CNC. Un metodo di integrazione è disporre di processori separati per l'HMI e altre applicazioni, ma questo può essere costoso e richiedere spazio aggiuntivo.
Un altro approccio è quello di utilizzare un singolo processore multi-core, con un core dedicato all'HMI e un altro core dedicato all'applicazione. A seconda che sia richiesta il funzionamento in tempo reale, i core possono eseguire diversi sistemi operativi come RTOS e Linux.
Riassumendo HMIS Copri una vasta gamma di applicazioni di uso finale a tutti i livelli di prestazione, ma ha alcune caratteristiche comuni tra cui GUI, connettività per i sistemi di controllo e controllo basato su touch. Il processore deve essere in grado di supportare almeno questi requisiti HMI entry-level. Gli HMI di base, di fascia media e di fascia alta possono utilizzare ulteriormente queste funzionalità, tra cui la grafica ad alta definizione, la navigazione Web, il video e il supporto multi-schermo.