¿Qué es una interfaz hombre-máquina (HMI)?

 Los controladores lógicos programables están diseñados para ingresar varios tipos de señales (discretas, analógicas), ejecutar algoritmos de control en esas señales y luego emitir señales en respuesta a los procesos de control. Por sí mismo, un PLC generalmente carece de la capacidad de mostrar esos valores de señal y variables de algoritmo a operadores humanos.

Un técnico o ingeniero con acceso a una computadora personal y el software necesario para editar el programa del PLC puede conectarse al PLC y ver el estado del programa "en línea" para monitorear los valores de las señales y los estados de las variables, pero esta no es una forma práctica para el personal de operaciones. para monitorear lo que el PLC está haciendo de manera regular.

Para que los operadores puedan monitorear y ajustar los parámetros dentro de la memoria del PLC , necesitamos un tipo diferente de interfaz que permita leer y escribir ciertas variables sin comprometer la integridad del PLC al exponer demasiada información o permitir que cualquier persona no calificada altere el programa. sí mismo.

Una solución a este problema es una pantalla de computadora dedicada programada para proporcionar acceso selectivo a ciertas variables en la memoria del PLC, generalmente conocida como Interfaz Hombre-Máquina o HMI .

Las HMI pueden tomar la forma de computadoras de uso general ("personales") que ejecutan software gráfico especial para interactuar con un PLC, o como computadoras de propósito especial diseñadas para montarse en los frentes de paneles de chapa para realizar ninguna tarea más que la interfaz operador-PLC .

Esta primera fotografía muestra un ejemplo de una computadora personal (PC) común con el software HMI ejecutándose en ella:

La pantalla que se muestra aquí es para monitorear un ejemplo, un proceso de adsorción por oscilación de vacío (VSA) para purificar el oxígeno extraído del aire ambiente. En algún lugar, un PLC (o colección de PLC) está monitoreando y controlando este proceso VSA, con el software HMI actuando como una "ventana" en la memoria del PLC para mostrar las variables pertinentes en una forma fácil de interpretar para el personal de operaciones. La computadora personal que ejecuta este software HMI se conecta a los PLC a través de cables de red digital como Ethernet.

Nota: Un término más antiguo para un panel de interfaz de operador era "Interfaz hombre-máquina" o "MMI".

La siguiente fotografía muestra un ejemplo de un panel HMI de propósito especial diseñado y construido expresamente para ser utilizado en entornos operativos industriales:

Estos paneles HMI en realidad no son más que computadoras personales “reforzadas” construidas de manera robusta y en un formato compacto para facilitar su uso en entornos industriales.

La mayoría de los paneles HMI industriales vienen equipados con pantallas sensibles al tacto, lo que permite a los operadores presionar con la punta de los dedos los objetos mostrados para cambiar de pantalla, ver detalles de partes del proceso, etc.

Los técnicos y / o ingenieros programan pantallas HMI para leer y escribir datos a través de una red digital en uno o más PLC.

Los objetos gráficos dispuestos en la pantalla de visualización de una HMI a menudo imitan indicadores e interruptores del mundo real, con el fin de proporcionar una interfaz familiar para el personal de operaciones.

Un objeto "pulsador" en la parte frontal de un panel HMI, por ejemplo, se configuraría para escribir un bit de datos en el PLC, de manera similar a un interruptor del mundo real que escribe un bit de datos en el registro de entrada del PLC.

Los modernos paneles y software HMI se basan casi exclusivamente en etiquetas, con cada objeto gráfico en la pantalla asociado con al menos un nombre de etiqueta de datos, que a su vez está asociado a puntos de datos (bits o palabras) en el PLC por medio de una etiqueta. nombre del archivo de base de datos residente en la HMI.

Los objetos gráficos en la pantalla HMI aceptan (leen) datos del PLC para presentar información útil al operador, envían (escriben) datos al PLC desde la entrada del operador, o ambos.

La tarea de programar una unidad HMI consiste en crear una base de datos de nombres de etiquetas y luego dibujar pantallas para ilustrar el proceso con un nivel de detalle tan bueno como los operadores necesiten para ejecutarlo.

Aquí se muestra una captura de pantalla de ejemplo de una tabla de base de datos de nombres de etiquetas para una HMI moderna:

Se accede a la base de datos de nombres de etiquetas y se edita utilizando el mismo software para crear imágenes gráficas en la HMI.

Según este ejemplo, puede ver varios nombres de etiquetas (por ejemplo, BOTÓN DE ARRANQUE, TEMPORIZADOR DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR, MENSAJE DE ERROR, VELOCIDAD DEL MOTOR) asociados con puntos de datos dentro de la memoria del PLC

En muchos casos, el editor de nombres de variables podrá mostrar los puntos de memoria del PLC correspondientes de la misma manera que aparecen en el software del editor de programación del PLC (por ejemplo, I: 5/10, SM0.4, C11, etc.).

Un detalle importante a tener en cuenta en la visualización de esta base de datos de nombres de etiquetas son los atributos de lectura / escritura de cada etiqueta.

Tenga en cuenta en particular que las etiquetas que son de solo lectura: esto significa que la HMI solo tiene permiso para leer los valores de esas etiquetas de la memoria del PLC y no escribir (alterar) esos valores.

La razón de esto  es que esas etiquetas se refieren a puntos de datos de entrada del PLC. La etiqueta START PUSHBUTTON, por ejemplo, se refiere a una entrada discreta en el PLC energizada por un interruptor de botón real.

Como tal, este punto de datos obtiene su estado de la activación del terminal de entrada discreta. Si se diera permiso de escritura a la HMI para este punto de datos, probablemente habría un conflicto.

Suponga que la terminal de entrada en el PLC se energizó (estableciendo el bit START PUSHBUTTON en un estado "1") y la HMI intentó simultáneamente escribir un estado "0" en la misma etiqueta.

Una de estas dos fuentes de datos ganaría y la otra perdería, lo que posiblemente provocaría un comportamiento inesperado del programa PLC.

Por esta razón, los puntos de datos en el PLC vinculados a entradas del mundo real siempre deben estar limitados como permiso de "solo lectura" en la base de datos de la HMI, por lo que la HMI no puede generar un conflicto.

Sin embargo, el potencial de conflicto de datos también existe para algunos de los otros puntos de la base de datos.

Un buen ejemplo de esto es el bit MOTOR RUN , que es el bit dentro del programa del PLC que le dice al motor del mundo real que funcione.

Presumiblemente, este bit obtiene sus datos de una bobina en el programa de diagrama de contactos del PLC. Sin embargo, dado que también aparece en la base de datos de la HMI con permiso de lectura / escritura, existe la posibilidad de que la HMI sobrescriba (es decir, entre en conflicto) ese mismo bit en la memoria del PLC.

Suponga que alguien programó un objeto de pantalla de "pulsador" de alternancia en la HMI vinculado a esta etiqueta: presionar este "botón" virtual en la pantalla de HMI intentaría establecer el bit (1), y presionarlo nuevamente intentaría restablecer el bit (0 ).

Sin embargo, si este mismo bit está siendo escrito por una bobina en el programa del PLC, existe la clara posibilidad de que el objeto "pulsador" de la HMI y la bobina del PLC entren en conflicto, uno tratando de decirle al bit que sea un "0" mientras el otro intenta decirle a ese bit que sea un "1".

Esta situación es bastante similar al problema que se experimenta cuando varias bobinas en un programa de diagrama de contactos se dirigen al mismo bit.

La regla general a seguir aquí es nunca permitir que más de un elemento escriba en cualquier punto de datos. En mi experiencia enseñando programación de PLC y HMI, este es uno de los errores más comunes que cometen los estudiantes cuando aprenden a programar HMI por primera vez: intentarán que tanto el HMI como el PLC escriban en las mismas ubicaciones de memoria, con resultados extraños.

Una de las lecciones que aprenderá al programar sistemas grandes y complejos es que es muy beneficioso definir todos los nombres de etiquetas necesarios antes de comenzar a diseñar gráficos en una HMI.

Lo mismo ocurre con la programación del PLC : hace que todo el proyecto sea más rápido y con menos confusión si se toma el tiempo para definir todos los puntos de E / S necesarios (y los nombres de las etiquetas, si el software de programación del PLC admite nombres de etiquetas en el entorno de programación) antes comienza a crear cualquier código que especifique cómo esas entradas y salidas se relacionarán entre sí.

También es importante mantener una convención coherente para los nombres de las etiquetas. Por ejemplo, es posible que desee comenzar el nombre de la etiqueta de cada punto de E / S cableado como ENTRADA o SALIDA (por ejemplo, INTERRUPTOR DE PRESIÓN DE ENTRADA ALTA, MOTOR DE AGITADOR DE SALIDA EN FUNCIONAMIENTO, etc.).

La razón para mantener una convención de nomenclatura estricta no es obvia al principio, ya que el objetivo de los nombres de etiquetas es darle al programador la libertad de asignar nombres arbitrarios a puntos de datos en el sistema.

Sin embargo, encontrará que la mayoría de los editores de nombres de etiquetas enumeran las etiquetas en orden alfabético, lo que significa que una convención de nomenclatura organizada de esta manera presentará todas las etiquetas de entrada de forma contigua (adyacentes) en la lista, todas las etiquetas de salida de forma contigua en la lista, y pronto.

Otra forma de aprovechar la lista alfabética de nombres de etiquetas en su beneficio es comenzar cada nombre de etiqueta con una palabra que describa su asociación con una pieza importante del equipo.

Tomemos, por ejemplo, este ejemplo de un proceso con varios puntos de datos definidos en un sistema de control PLC y mostrados en una HMI:

Si enumeramos todas estas etiquetas en orden alfabético, la asociación es inmediatamente obvia:

• Bomba de efluentes intercambiador
• Salida de temperatura del efluente del intercambiador
• Bomba de precalentamiento del intercambiador
• Temperatura de precalentamiento del intercambiador en
• Válvula de precalentamiento del intercambiador
• Temperatura del lecho del reactor
• Flujo de alimentación del reactor
• Temperatura de alimentación del reactor
• Válvula de la camisa del reactor

Como puede ver en esta lista de nombres de etiquetas, todas las etiquetas asociadas directamente con el intercambiador de calor están ubicadas en un grupo contiguo, y todas las etiquetas asociadas directamente con el reactor están ubicadas en el siguiente grupo contiguo.

De esta manera, la asignación de nombres acertada de las etiquetas sirve para agruparlas de manera jerárquica, lo que facilita que el programador las ubique en cualquier momento futuro en la base de datos de nombres de etiquetas.

Observará que todos los nombres de las etiquetas que se muestran aquí carecen de espacios entre las palabras (p. Ej., En lugar de "Temperatura del lecho del reactor", un nombre de etiqueta debe usar guiones o subrayados como caracteres de espaciado: "Temperatura del lecho del reactor"), ya que los espacios generalmente se asumen por lenguajes de programación de computadoras para ser delimitadores (separadores entre diferentes nombres de variables).

Al igual que los propios controladores lógicos programables, las capacidades de los HMI se han incrementado constantemente mientras que su precio disminuye.

Las HMI modernas admiten tendencias gráficas, archivo de datos, alarmas avanzadas e incluso capacidad de servidor web, lo que permite que otras computadoras accedan fácilmente a ciertos datos a través de redes de área amplia.

La capacidad de las HMI para registrar datos durante largos períodos de tiempo libera al PLC de tener que realizar esta tarea, que consume mucha memoria.

De esta manera, el PLC simplemente "sirve" los datos actuales a la HMI, y la HMI puede mantener un registro de los datos actuales y pasados ​​utilizando sus reservas de memoria mucho más grandes.

Si la HMI se basa en una plataforma de computadora personal (por ejemplo, Rockwell RSView, Wonderware, software FIX / Intellution), incluso puede estar equipada con una unidad de disco duro para una enorme cantidad de almacenamiento de datos históricos.

Algunos paneles HMI modernos incluso tienen un PLC integrado dentro de la unidad, que proporciona control y monitoreo en el mismo dispositivo.

Dichos paneles proporcionan puntos de conexión de regleta de terminales para E / S discretas e incluso analógicas, lo que permite que todas las funciones de control e interfaz se ubiquen en una sola unidad de montaje en panel.