Cada máquina eléctrica o mecánica controlada tiene una interfaz de máquina humana (HMI) en forma de botones, palancas o pantallas táctiles. En un alto nivel, el HMI tiene tres elementos básicos: entradas, salidas y algo para manejar las transiciones entre los dos.
A medida que avanzamos hacia la industria 4. 0 Era, este modelo se está volviendo un poco más complejo. Los diseñadores están agregando interfaces gráficas de usuario (GUI), moviéndose de los botones físicos a virtuales en la GUI, aumentando el número de tareas que el HMI puede realizar e incluso mostrando comentarios de rendimiento en los sistemas de circuito cerrado.
Los requisitos generales del procesador HMI HMIS pueden tener una serie de requisitos para procesadores integrados, dependiendo de su aplicación de uso final prevista. Hay cuatro niveles de rendimiento de HMI: nivel de entrada, básico, de rango medio y alto.
Las HMI de nivel de entrada tienen una interfaz de usuario muy básica. La pantalla de salida es típicamente una matriz de gráficos de video (QVGA), hasta 320 x 240, y tiene gráficos 2D mínimos. Estos HMI están destinados a aplicaciones sensibles a los costos que requieren solo los conceptos básicos de una interfaz de control. Los diseñadores pueden usar pantallas táctiles resistivas aquí porque son más económicas que las pantallas táctiles capacitivas.
Las pantallas táctiles resistivas no solo son menos costosas que las pantallas táctiles capacitivas, sino que el costo de la lista de cocciones también puede ser más bajo porque algunos procesadores pueden admitir de forma nativa las pantallas táctiles resistentes, mientras que los toques capacitivos a veces requieren componentes externos. Este tipo de HMI es el más adecuado para procesadores de bajo rendimiento (<300 MHz) or microcontrollers that support resistive touchscreens.
Los HMI básicos agregan una resolución de visualización mejorada y una mejor interfaz de usuario que HMIS de nivel de entrada. Un HMI básico tendrá una resistencia típicamente de pantalla táctil y una resolución de visualización hasta una matriz de gráficos extendidos (XGA) (1,024 x 768) para una experiencia de usuario mejorada. Dependiendo de la potencia de procesamiento de aplicaciones requerida, dichos procesadores estarán en el rango de rendimiento bajo a mediano (300 MHz a 800 MHz) y pueden beneficiarse de los pedales de gas gráficos 2D.
Los HMI de rango medio reflejan más de cerca las GUI típicas con las que los usuarios pueden interactuar a diario. Los HMI de rango medio tienen gráficos 2D, muestran resoluciones de hasta XGA (1,024 x 768), incluyen más controles que la categoría base y, en algunos casos, incluso introducen comentarios táctil o auditivos. Estas características mejoran enormemente la experiencia del usuario. Para HMIS de rango medio, el procesador debe incluir aceleración de gráficos, rendimiento de rango medio (600 MHz a 1 GHz) y una biblioteca de gráficos para ayudar a construir 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), que puede beneficiarse enormemente de los DSP en chip para ayudar a acelerar el procesamiento de audio y video. Además, los HMI de alta gama a menudo requieren procesadores que pueden manejar múltiples salidas de pantalla de alta resolución y HTML5. Un ejemplo es la familia Sitara Processor basada en el Corte Cortex-A del ARM, que proporciona la escalabilidad necesaria para desarrollar una plataforma única para HMI de nivel de entrada a HMIS de alta gama y respalda la confiabilidad industrial.
Puede encontrar HMIS en electrodomésticos, máquinas expendedoras, sistemas de automatización de edificios, como paneles de control de incendios o ascensores, y estaciones de carga de vehículos eléctricos; Sin embargo, uno de los usos más comunes de las HMI industriales es la automatización de fábrica.
HMIS en los sistemas de automatización de fábrica En los sistemas de automatización de fábrica, los operadores de máquinas de conexión HMIS para controlar las funciones, generalmente controladores lógicos programables (PLC), que controlan los sensores, los actuadores y las máquinas en el piso de fábrica. Hmis también se incluyen más comúnmente en las máquinas y los robots y los robots. ellos mismos y, en algunos casos, manejan algunas de las funciones de control dentro del HMI. Estas aplicaciones colocan una serie de demandas en el procesador en el HMI, incluida la necesidad de capacidades de comunicaciones industriales, confiabilidad de grado industrial y características de seguridad.
El estándar de comunicaciones industriales Ethernet no tiene las características deterministas necesarias para la automatización industrial. Aquí es donde entran en juego los protocolos diseñados para comunicaciones industriales. Los protocolos de Ethernet industrial permiten las comunicaciones deterministas en tiempo real necesarias entre los diferentes tipos de dispositivos finales en un sistema de control.
Se han creado más de una docena de protocolos diferentes para Ethernet industrial. El procesamiento de estos protocolos en un HMI requiere un procesador, FPGA o ASIC. En muchos casos, el HMI tendrá un procesador host y un ASIC o FPGA separado que ejecuta un solo protocolo.
Como alternativa a FPGA o ASIC, existen soluciones integradas que pueden servir como un procesador de aplicaciones de Ethernet industrial y un motor de comunicaciones; Estas soluciones se pueden extender para admitir múltiples protocolos.
El soporte multiprotocol en HMIS agrega flexibilidad muy necesaria a la industria 4. 0, ya que los sistemas de control en las fábricas inteligentes son a menudo un mosaico de diferentes soluciones que ejecutan diferentes protocolos. Con el soporte multiprotocol, el HMI puede actuar como una puerta de enlace entre diferentes protocolos.
En la mayoría de los casos, las plantas de calidad industrial operan 24/7 durante todo el año. Y las condiciones pueden variar desde debajo de la congelación hasta las temperaturas de ebullición, dependiendo de lo que produzca la planta. El HMI en la planta debe poder resistir estas condiciones, y también deben los procesadores en ella. Plantea la necesidad de procesadores de grado industrial en la automatización de fábrica HMIS.
Los procesadores de grado industrial deben poder resistir una amplia gama de temperaturas, típicamente -40 a 105 grados. Además, las largas horas de funcionamiento de los equipos de fábrica requieren una amplia prueba de vida del dispositivo. Una métrica utilizada para medir la vida útil de un dispositivo es su tiempo de encendido (POH), que es la cantidad de horas que se puede encender y funcionar correctamente. Los procesadores con un amplio rango de temperatura y un POH de más de 88, 000 pueden funcionar esencialmente durante más de 10 años. La mayoría de los HMI industriales necesitan cumplir con un mínimo de 100, 000 Poh.
Seguridad Aunque el HMI y el resto de la red de control generalmente se configuran en una red Ethernet interna aislada de Internet principal, todavía existe la posibilidad de que un partido malicioso esté espirando o altere las comunicaciones entre el HMI y el resto del sistema. Para ayudar a detener la interferencia no deseada, los procesadores integrados a menudo integran pedales criptográficos de gas para cifrar datos. Secure Boot es otra opción de seguridad popular que puede ayudar a proteger la propiedad intelectual del fabricante de HMI.
Otros aspectos de HMI Debido a que un HMI es principalmente una interfaz de usuario, requiere el uso de un sistema operativo popular del sistema operativo de alto nivel (SO) para HMIS incluyen Windows CE, Android y Linux Windows CE ha sido popular para HMIS durante muchos años, Especialmente en el espacio de automatización de fábrica, pero Android y Linux están ganando atención por varias razones. Windows CE ha sido popular en HMIS durante muchos años, especialmente en la automatización de fábrica, pero Android y Linux han llamado la atención por varias razones.
Primero, Android y Linux son sistemas operativos de código abierto, lo que significa que son libres de implementar. Además, debido a que son de código abierto, hay una gran comunidad que admite el software y proporciona código de muestra para cada sistema operativo.
Android es popular en los sistemas donde una gran cantidad de usuarios interactuarán con el HMI, como en máquinas expendedoras o electrodomésticos. Android ya es popular en el mercado portátil, por lo que la curva de aprendizaje se minimiza para los recién llegados a HMI que ya están familiarizados con el sistema operativo.
En la automatización de fábrica, Linux se ha convertido en la opción probable porque es ampliamente reconocida como estable, confiable y seguro. Muchos HMI industriales no necesitan todas las características que vienen con Android. Por otro lado, Linux también admite marcos como QT y la Biblioteca de Gráficos Open (OpenGL), que ayuda a construir GUI efectivas.
Otra característica que está ganando popularidad en HMIS es la virtualización. Como se mencionó anteriormente, los HMI se integran comúnmente con otros dispositivos finales, como PLC, robots industriales y máquinas CNC. Un método de integración es tener procesadores separados para el HMI y otras aplicaciones, pero esto puede ser costoso y requerir espacio adicional en la placa.
Otro enfoque es utilizar un solo procesador de múltiples núcleos, con un núcleo dedicado al HMI y otro núcleo dedicado a la aplicación. Dependiendo de si se requiere operación en tiempo real, los núcleos pueden ejecutar diferentes sistemas operativos como RTO y Linux.
Para resumir, HMIS cubre una amplia gama de aplicaciones de uso final en todos los niveles de rendimiento, pero tiene algunas características comunes que incluyen GUI, conectividad a los sistemas de control y control táctil. El procesador debe poder admitir al menos estos requisitos de HMI de nivel de entrada. Los HMI básicos, de rango medio y de alta gama pueden utilizar aún más estas características, incluidos gráficos de alta definición, navegación web, video y soporte de pantalla múltiple.