Kun verkkojen välisten yhdyskäytävien toteuttamisessa ollaan siirtymässä enenevässä määrin yhdessä tapahtuvaan reunalaskennan ja tekoälyn hyödyntämiseen, yksi järjestelmäkomponentti tahtoo jäädä turhan vähälle huomiolle: ihmisen ja koneen välisen rajapinnan toteuttava laite. Näin voi käydä esimerkiksi käytettäessä laitekehikkoja tai tietokonekoteloita järjestelmäarkkitehtuuriin kuuluvien edge-solmujen tekoälytoimintojen sijoituspaikkoina, kirjoittaa Advantech artikkelissaan.

Vastaavasti maantieteellisesti jakautuneissa arkkitehtuureissa käytetään älykkäitä matkapuhelinreitittimiä reunalaskennan toteuttamisessa. Nämä reitittimet voivat toimia isäntinä sovellusohjelmistoille kuten protokollakääntäjille tai tekoälypäättelijöille. Monissa näissä toteutuksissa arkkitehtuuriin kuuluu myös visuaalisuuteen liittyviä vaatimuksia joko paikallisesti konetasolla tuotantolinjan tai koko järjestelmän toiminnan valvonnassa.

Ihmisen ja koneen rajapinnan toteuttavat HMI-laitteet nähdään usein muissa laitteissa olevan tai niissä syntyvän datan paikallisina päätepisteinä. Tällöin kuitenkin menetetään mahdollisuus yksinkertaistaa koko järjestelmän suunnittelua verrattuna siihen, jos sen sijaan käytettäisiinkin HMI-laitetta älykkäänä edge-yhdyskäytävänä omalla tavallaan.

Automaation HMI-ohjelmistot

Automaation arkkitehtuureissa olennaisen tärkeitä komponentteja ovat HMI-ohjelmistot, jotka toimitetaan joko integroituna osana näyttölaitetta tai erillisenä sovellusohjelmistona asennettavaksi näyttölaitteeseen tai teollisuus-PC:hen ja joiden tehtävänä on esittää tietoa insinööreille ja käyttöhenkilöstölle sekä mahdollistaa heidän vuorovaikutuksen käynnissä olevaan prosessiin ja laitteisiin.

Jopa tämän päivän yhä verkottuneemmassa maailmassa törmätään vielä tapauksiin, joissa prosessilaitoksen käyttöhenkilökunta ei joko osaa tai ei halua tulla yhdistetyksi ulkoisiin järjestelmiin ja laitteisiin. Tyypillisenä esimerkkinä voisi olla vanhemman tai perinteisen PLC-tyylisen laitteen käyttäminen koneessa tai tuotantolinjalla. Kuitenkin on tarpeen, että insinöörit ja käyttöhenkilöstö ovat vuorovaikutuksessa järjestelmän kanssa, vaikka käytössä olevat PLC:t eivät tukisikaan alueverkon pilviyhteyttä.

Kuva 1: HMI koneen tai tuotantotilan ohjaimena.

Näissä tapauksissa kooltaan ja suorituskyvyltään sopivaa HMI-laitetta voidaan käyttää itsenäisenä ohjaimena muodostamassa rajapinnan, joka liittää toisiinsa niin yksittäisten koneiden yksinkertaiset kytkentäpaneelit ja virtuaaliset näppäinohjaimet kuin kokonaisten tuotantolinjojen tai hajautettujen prosessien kehittyneemmät visualisointi-, tapahtumahistoria- ja hälytystuotteet tarjoten joukon erilaisia näppäin- ja ohjeistettuja ohjausvaihtoehtoja. HMI toimii tehokkaana yksinäyttöisenä kaiken kattavana SCADA-järjestelmänä, joka on edullinen vaihtoehto silloin, kun ei tarvita moninäyttöistä kokoonpanoa.

Graafinen päätepiste

Tässä käyttötapauksessa HMI-paneeli toimii visualisointivälineenä teollisuus-PC:lle tai vastaavalle, joka tarjoaa yhdistettyä reunalaskentaa ja tekoälyä koneille, tuotantolinjoille tai prosesseille.

Kuva 2: HMI graafisena päätepisteenä.

Edge-laite tarjoaa tässä tapauksessa tuotantotilakohtaista tekoälyä toimien tyypillisesti yhteyskäytävänä, joka jalostaa, kerää ja suodattaa dataa, jolloin tuloksena saadaan varteenotettavia näkemyksiä, jotka edelleen välitetään eteenpäin yritystasolla. Se voi myös toimia isäntänä käyttäjän sovelluksille, joilla voidaan muokata paikallista dataa siten, että ohjaus- ja hallintastrategioita voidaan lisätä siihen yhteydessä oleviin laitteisiin.

Tässä tapauksessa HMI-laite toimii yksinkertaisesti kosketusnäyttönä, jota ohjataan ege-laitteella ajettavalla visualisointiohjelmistolla, vaikka tyypillisesti toimiikin hyvin samalla tavoin kuin itsenäisen ohjaimen tapauksessa. Todellakin monissa tapauksissa HMI toimii edge-laitteesta riippumattomasti ollen suorassa yhteydessä käynnissä olevaan prosessiin palauttaen sen perusdatan.

HMI yhdyskäytävänä

Konsepti, jossa HMI-laitetta käytetään järjestelmän yhdyskäytävänä, on järkevää. Arkkitehtuurin kannalta yhdyskäytävä toimii pisteenä, jossa data konvergoidaan alemman tason laitteille sopivaksi, ja näinhän tapahtuu missä tahansa HMI-toteutuksen pisteessä.

Kuva 3: HMI yhdyskäytävänä.

Ottamalla avuksi mekanismi, jolla käyttäjän sovelluksia voidaan toteuttaa HMI-laitteilla ja liittää HMI-muotoiseen dataan, käyttäjät pystyvät hyödyntämään HMI-järjestelmän tarjoamia laiteprotokollia ja tietojen palautusominaisuuksia, jolloin vältytään aikaa vieviltä suunnitteluvaiheilta ja voidaan keskittyä sovellukseen itseensä liittyviin malliratkaisujen arviointeihin ja toimialaosaamiseen.

Lisäksi HMI-ohjelmistojen avulla on mahdollista liittyä edelleen yritystason järjestelmiin käyttämällä IT-protokollia kuten MQTT, SQL ja ODBC tai liittymällä suoraan pilvipalveluihin kuten AWS tai Azure. Tämä liitäntä on rakenteeltaan yksinkertainen eikä vaadi ohjelmointia, jolloin käyttäjän suunnittelutyön tarve vähenee.

Laitteisto ja ohjelmisto samasta paikasta

Kun markkinoilla on useita HMI-laitteita ja useita SCADA-ohjelmistoja tarjoavia toimittajia, niin miksi kannattaisi hankkia molemmat samalta toimittajalta? Siksi koska tällöin on saatavissa monia hyötyjä.

Mitä useammalta toimijalta hankintoja tehdään, sitä enemmän piilotettuja kuluja hankintoihin sisältyy. Jokaisella toimijalla on omat hyväksyntää vaativat ehdot ja olosuhteet, jokaisen laatu vaatii valvontaa, kaikki tilaukset vaativat oman toimituksen ja niin edelleen. Kun sekä laitteisto että ohjelmisto ovat samalta toimittajalta, säästytään toiseen toimittajaan liittyviltä kustannuksilta.

Laitteiston ja ohjelmiston hankinta samalta toimittajalta takaa sen, että ohjelmisto toimii asianmukaisesti. Tämä on ilmeisen tärkeää jo alkuperäistä ostosta tehtäessä, mutta se on vieläkin tärkeämpää silloin kun laite on toiminnassa kentällä. Tänä päivänä on todellisuutta, että ohjelmistoa joudutaan korjaamaan mitä moninaisimmista syistä. Ohjelmavirheiden korjausten, turvallisuuspäivitysten tai käynnissä olevan kehitystyön vuoksi voi aiheutua yhteensopimattomuutta käytössä olevan laitteiston kanssa. Kun asioidaan vain yhden ja saman toimittajan kanssa, näiden ongelmien esiintyvyys todennäköisesti vähenee.

Skaalattavuus

Usein käyttäjillä on monia HMI-sovelluksia, joiden datankäsittelyn ja esitystavan vaatimukset vaihtelevat ja niin ikään käytettävän paneelin koolle ja olosuhteiden siedolle asetut ominaisuudet eroavat. Riippumattomat ohjelmistotoimittajat ovat tavallisesti asettaneet alustoille minimivaatimukset, jotka estävät yksittäisten koneiden ohjauksessa tyypillisesti käytettävien yksinkertaisten pienten paneelien käytön, kun taas yksinkertaisten näyttöpaneelien toimittajat eivät juurikaan tarjoa edistyneitä toimintoja, joita tarvitaan vaativien SCADA-toimintojen toteuttamisessa. Tästä seuraa, että suunnittelijat joutuvat opettelemaan monien erilaisten ohjelmistopakettien käyttöä ja ylläpitoa, mikä lisää käyttäjille aiheutuvia piilokustannuksia.

Advantechin HMINavi

Kun asiakastapaamisissa paneudutaan asioihin syvemmin, kääntyy keskustelu usein edge-tekoälyn käyttämiseen yhdyskäytävän toteutuksessa ja sitä täydentäviin kehittyneiden ohjelmistojen ja älykkäiden tiedonsiirtolaitteiden valikoimaan. Tämä on Advantechin tapa toimia. Yhtiön HMINavi on paljon toimintoja tarjoava SCADA-paketti, joka on optimoitu toimimaan yksinäyttöisessä HMI-ympäristössä, mikä on erityisen hyödyllistä silloin, kun halutaan löytää tapa esittää PLC-dataa ja integroida sitä IT-pilvipalveluihin ja MES-systeemeihin. HMINavi on saatavissa monenlaisiin datapaneeleihin, paneeli-PC- ja teollisuus-PC-koneisiin niin yleiskäyttöisille kuin sovelluskohtaisille laitteistoalustoille.

Käyttäjä voi tällöin hyödyntää yhdenmukaista ympäristöä hyvin erilaisissa sovelluksissa, jolloin saadaan olennaisesti vähennettyä piilokustannuksia, joita syntyisi käytettäessä erilaisia esityspaketteja eri kohteissa. Tarjolla on jatkuvasti kasvava määrä protokolla-ajureita ja -piirejä kattaen yli 500 yleislaitetta kuten PLC-ohjaimia, jolloin on mahdollista integroitua helposti käytännössä mihin tahansa prosessiautomaatioympäristöön ja yhdistettynä yhteysprotokollaan onnistuu käyttö protokollayhdyskäytävänä, joka kääntää ja siirtää dataa muulla tavoin yhteensopimattomien vertaisjärjestelmien välillä tai toimii rajapintana OT- ja IT-ympäristöjen välillä yksipiste ja klikkaus -toimintoa käyttäen.

Dynaamisten graafisten perusalkioiden monipuolinen valikoima antaa pohjan datan jalostamisen ja intuitiivisten käyttöliittymien toteuttamiselle, samalla kun tuetaan visualisointeja reaaliaikaisilla trendinäytöillä orastavasta käyttäytymisestä. Lähtötoiminnot saadaan hyödyntämällä kaksisuuntaisten graafisten perusalkioiden valikoimaa yhdistettynä valmislohkojen (recipe block), ajastuksen, komentosarjojen ja makron suorituksen käyttöön. Täydellisen hälytyspaketin avulla voidaan tuottaa käyttöhenkilöstölle proaktiivisia ilmoituksia vallitsevista ulkoisista olosuhteista erilaisia vaihtoehtoisia menetelmiä käyttäen, mukaan lukien mahdollisuus palata taaksepäin tutkimaan tapahtumia, jotka aiheuttivat hälytyksen, eri formaateilla tuotettujen datan historiatietojen avulla.

Tällaisten perinteisten HMI-toimintojen yhdistelmä liitettynä joustavaan uplink-suorituskykyyn ja mahdollisuuteen toimia rinnakkain ja jakaa dataa toisten samalla fyysisellä HMI-laitteistolla toimivien sovellusten kanssa, tekee HMINavista varteen otettavan vaihtoehdon mitä tahansa aiemmin mainittua arkkitehtuuria käyttöön ottavalle. HMINavi mahdollistaa sen, että valvomon ohjauspaneelista muodostuu kaikkia toimintoja hallinnoiva keskus, jolloin verkon reunan sijoituspaikkoihin liittyvä kompleksisuus, kustannukset ja riskit vähenevät. Monipuoliset toiminnot on mahdollista toteuttaa ilman, että tarvittaisiin ohjelmointia vaativia rakenteita, jolloin säästyy merkittävästi suunnitteluaikaa ja rahaa järjestelmän kehitysvaiheessa.