Mỗi máy điện hoặc cơ học được điều khiển đều có giao diện-máy (HMI) ở dạng nút, đòn bẩy hoặc màn hình cảm ứng. Ở cấp độ cao, HMI có ba yếu tố cơ bản: đầu vào, đầu ra và một cái gì đó để xử lý các chuyển đổi giữa hai yếu tố.
Khi chúng ta chuyển sang ngành công nghiệp 4. 0, mô hình này đang trở nên phức tạp hơn một chút. Các nhà thiết kế đang thêm giao diện người dùng đồ họa (GUI), chuyển từ các nút vật lý sang các nút ảo trên GUI, tăng số lượng tác vụ mà HMI có thể thực hiện và thậm chí hiển thị phản hồi hiệu suất trong các hệ thống vòng kín.
Yêu cầu của bộ xử lý HMI chung HMI có thể có một số yêu cầu đối với bộ xử lý nhúng, tùy thuộc vào ứng dụng sử dụng cuối dự định của chúng. Có bốn cấp độ hiệu suất của HMI: cấp nhập cảnh, cơ bản, tầm trung và cao cấp.
HMI cấp nhập cảnh có giao diện người dùng rất cơ bản. Màn hình đầu ra thường là một mảng đồ họa video phần tư (QVGA), lên tới 320 x 240 và có đồ họa 2D tối thiểu. Các HMI này được dành cho các ứng dụng nhạy cảm với chi phí chỉ yêu cầu những điều cơ bản của giao diện điều khiển. Các nhà thiết kế có thể sử dụng màn hình cảm ứng điện trở ở đây vì chúng kinh tế hơn màn hình cảm ứng điện dung.
Không chỉ là màn hình cảm ứng điện trở ít tốn kém hơn so với màn hình cảm ứng điện dung, mà chi phí BOM cũng có thể thấp hơn vì một số bộ xử lý có thể hỗ trợ màn hình cảm ứng điện trở, trong khi các cảm ứng điện dung đôi khi yêu cầu các thành phần bên ngoài. Loại HMI này phù hợp nhất cho bộ xử lý hiệu suất thấp (<300 MHz) or microcontrollers that support resistive touchscreens.
Các HMI cơ bản thêm độ phân giải hiển thị được cải thiện và giao diện người dùng tốt hơn HMI cấp nhập cảnh. Một HMI cơ bản sẽ có một điện trở cảm ứng và độ phân giải hiển thị lên đến mảng đồ họa mở rộng (XGA) (1.024 x 768) cho trải nghiệm người dùng được cải thiện. Tùy thuộc vào công suất xử lý ứng dụng cần thiết, các bộ xử lý như vậy sẽ nằm trong phạm vi hiệu suất từ thấp đến giữa (300 MHz đến 800 MHz) và có thể được hưởng lợi từ bàn đạp khí đồ họa 2D.
HMI tầm trung phản ánh chặt chẽ hơn GUI điển hình mà người dùng có thể tương tác hàng ngày. Các HMI tầm trung có đồ họa 2D, độ phân giải hiển thị lên đến XGA (1.024 x 768), bao gồm nhiều điều khiển hơn loại cơ sở và trong một số trường hợp thậm chí đưa ra phản hồi xúc giác hoặc thính giác. Những tính năng này cải thiện đáng kể trải nghiệm người dùng. Đối với HMI tầm trung, bộ xử lý phải bao gồm gia tốc đồ họa, hiệu suất tầm trung (600 MHz đến 1 GHz) và thư viện đồ họa để giúp xây dựng 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), có thể được hưởng lợi rất nhiều từ các DSP trên chip để giúp tăng tốc xử lý âm thanh và video. Ngoài ra, HMI cao cấp thường yêu cầu bộ xử lý có thể xử lý nhiều đầu ra màn hình có độ phân giải cao và HTML5. Một ví dụ là họ bộ xử lý Sitara dựa trên Core ARM Cortex-A, cung cấp khả năng mở rộng cần thiết để phát triển một nền tảng duy nhất cho các HMI cấp cao đến cấp cao và hỗ trợ độ tin cậy công nghiệp.
Bạn có thể tìm thấy HMI trong các thiết bị gia dụng, máy bán hàng tự động, hệ thống tự động hóa xây dựng như bảng điều khiển hỏa lực hoặc thang máy và trạm sạc xe điện; Tuy nhiên, một trong những cách sử dụng phổ biến nhất của HMI công nghiệp là trong tự động hóa nhà máy.
HMI trong các hệ thống tự động hóa nhà máy trong các hệ thống tự động hóa nhà máy, HMIS Connect Toán tử máy để điều khiển các chức năng, thường là bộ điều khiển logic có thể lập trình (PLC), điều khiển các cảm biến, bộ truyền động và máy móc trên sàn nhà máy. chính họ và, trong một số trường hợp, quản lý một số chức năng kiểm soát trong HMI. Các ứng dụng này đặt ra một số nhu cầu đối với bộ xử lý trong HMI, bao gồm nhu cầu về khả năng truyền thông công nghiệp, độ tin cậy cấp công nghiệp và các tính năng bảo mật.
Ethernet tiêu chuẩn truyền thông công nghiệp không có các tính năng xác định cần thiết cho tự động hóa công nghiệp. Đây là nơi các giao thức được thiết kế cho truyền thông công nghiệp ra đời. Các giao thức Ethernet công nghiệp cho phép giao tiếp thời gian thực, xác định cần thiết giữa các loại thiết bị cuối khác nhau trong hệ thống điều khiển.
Hơn một chục giao thức khác nhau đã được tạo ra cho Ethernet công nghiệp. Xử lý các giao thức này trong HMI yêu cầu bộ xử lý, FPGA hoặc ASIC. Trong nhiều trường hợp, HMI sẽ có bộ xử lý máy chủ và ASIC hoặc FPGA riêng biệt chạy một giao thức duy nhất.
Thay thế cho các FPGA hoặc ASICS, các giải pháp tích hợp tồn tại có thể đóng vai trò là bộ xử lý ứng dụng Ethernet và công cụ truyền thông công nghiệp; Những giải pháp này thậm chí có thể được mở rộng để hỗ trợ nhiều giao thức.
Hỗ trợ đa giao thức trong HMIS thêm sự linh hoạt rất cần thiết cho ngành công nghiệp 4. 0, vì các hệ thống điều khiển trong các nhà máy thông minh thường là một sự chắp vá của các giải pháp khác nhau chạy các giao thức khác nhau. Với hỗ trợ đa giao thức, HMI có thể hoạt động như một cửa ngõ giữa các giao thức khác nhau.
Trong hầu hết các trường hợp, các nhà máy chất lượng công nghiệp hoạt động 24/7 năm. Và các điều kiện có thể thay đổi từ dưới mức đóng băng đến nhiệt độ sôi, tùy thuộc vào những gì nhà máy sản xuất. HMI trong nhà máy phải có khả năng chịu được các điều kiện này, và các bộ xử lý trong đó phải có. Nó làm tăng nhu cầu đối với các bộ xử lý cấp công nghiệp trong HMI tự động hóa nhà máy.
Bộ xử lý cấp công nghiệp phải có khả năng chịu được một phạm vi nhiệt độ rộng, điển hình là -40 độ đến 105 độ. Ngoài ra, giờ hoạt động dài của thiết bị nhà máy yêu cầu thử nghiệm tuổi thọ thiết bị rộng rãi. Một số liệu được sử dụng để đo tuổi thọ của một thiết bị là thời gian bật nguồn (POH), đó là số giờ nó có thể được cung cấp và chạy đúng. Các bộ xử lý có phạm vi nhiệt độ rộng và POH hơn 88, 000 về cơ bản có thể chạy trong hơn 10 năm. Hầu hết các HMI công nghiệp cần đáp ứng tối thiểu 100, 000 POH.
Bảo mật Mặc dù HMI và phần còn lại của mạng điều khiển thường được cấu hình trên mạng Ethernet nội bộ được phân lập từ Internet chính, vẫn có khả năng một bên độc hại nghe lén hoặc thay đổi giao tiếp giữa HMI và phần còn lại của hệ thống. Để giúp ngăn chặn nhiễu không mong muốn, các bộ xử lý nhúng thường tích hợp bàn đạp khí mật mã để mã hóa dữ liệu. Boot Secure là một tùy chọn bảo mật phổ biến khác có thể giúp bảo vệ tài sản trí tuệ của nhà sản xuất HMI.
Các khía cạnh khác của HMI vì HMI chủ yếu là giao diện người dùng, nó đòi hỏi phải sử dụng hệ điều hành phổ biến hệ điều hành cấp cao (OS) cho HMI bao gồm Windows CE, Android và Linux Windows CE đã được phổ biến trong nhiều năm, trong nhiều năm, Đặc biệt là trong không gian tự động hóa nhà máy, nhưng Android và Linux đang thu hút sự chú ý vì nhiều lý do. Windows CE đã được phổ biến ở HMIS trong nhiều năm, đặc biệt là trong tự động hóa nhà máy, nhưng Android và Linux đã thu hút sự chú ý vì nhiều lý do.
Đầu tiên, Android và Linux là các hệ điều hành nguồn mở, có nghĩa là chúng được thực hiện tự do. Ngoài ra, vì chúng là nguồn mở, có một cộng đồng lớn hỗ trợ phần mềm và cung cấp mã mẫu cho mỗi hệ điều hành.
Android là phổ biến trong các hệ thống nơi một số lượng lớn người dùng sẽ tương tác với HMI, chẳng hạn như trong máy bán hàng tự động hoặc thiết bị. Android đã phổ biến ở thị trường cầm tay, vì vậy đường cong học tập được giảm thiểu cho những người mới đến với HMI, những người có thể đã quen thuộc với hệ điều hành.
Trong tự động hóa nhà máy, Linux đã trở thành lựa chọn có khả năng vì nó được công nhận rộng rãi là ổn định, đáng tin cậy và an toàn. Nhiều HMI công nghiệp không cần tất cả các tính năng đi kèm với Android. Mặt khác, Linux cũng hỗ trợ các khung như Qt và Thư viện đồ họa mở (OpenGL), giúp xây dựng các GUI hiệu quả.
Một tính năng khác đang trở nên phổ biến trong HMIS là ảo hóa. Như đã đề cập trước đó, HMI thường được tích hợp với các thiết bị cuối khác như PLC, robot công nghiệp và máy CNC. Một phương pháp tích hợp là có bộ xử lý riêng cho HMI và các ứng dụng khác, nhưng điều này có thể tốn kém và yêu cầu thêm không gian bảng.
Một cách tiếp cận khác là sử dụng một bộ xử lý đa lõi duy nhất, với một lõi dành riêng cho HMI và một lõi khác dành riêng cho ứng dụng. Tùy thuộc vào việc cần hoạt động thời gian thực, lõi có thể chạy các hệ điều hành khác nhau như RTO và Linux.
Để tóm tắt HMI bao gồm một loạt các ứng dụng sử dụng cuối ở tất cả các cấp hiệu suất, nhưng có một số tính năng phổ biến bao gồm GUI, kết nối với các hệ thống điều khiển và điều khiển dựa trên cảm ứng. Bộ xử lý phải có khả năng hỗ trợ ít nhất các yêu cầu HMI cấp nhập cảnh này. Các HMI cơ bản, tầm trung và cao cấp có thể sử dụng thêm các tính năng này, bao gồm đồ họa độ phân giải cao, duyệt web, video và hỗ trợ nhiều màn hình.