Zrozumienie działania interfejsów człowiek-maszyna oraz ich kluczowej roli

W dzisiejszym szybko zmieniającym się krajobrazie technologicznym interakcje między ludźmi a maszynami są coraz bardziej skomplikowane. Kluczowym elementem tych interakcji jest interfejs człowiek-maszyna (HMI), który służy jako most między operatorem a maszyną. Ten artykuł zgłębia istotę interfejsów HMI, badając ich funkcje, komponenty i kluczową rolę, jaką odgrywają w zwiększaniu komfortu użytkownika, jego doświadczeniu (UX) i produktywności.  Omówimy również znaczenie przemysłowych interfejsów HMI oraz najnowsze trendy i technologie, które zmieniają interakcje między człowiekiem a maszyną.

Czym dokładnie jest interfejs człowiek-maszyna (HMI)?

Jak sama nazwa wskazuje, interfejs HMI to dowolny rodzaj interfejsu, który umożliwia ludziom interakcję z maszynami, systemami lub urządzeniami. Interfejsy użytkownika HMI są przeznaczone do dwukierunkowej komunikacji poprzez prezentowanie informacji operatorom oraz umożliwienie im wprowadzania poleceń. Panuje błędne przekonanie, że interfejs HMI jest tylko ekranem dotykowym. Jednak obejmuje on również szeroki zakres innych elementów, których operator będzie dotykał, które będzie obserwował, słyszał lub używał ich do wykonywania zadań i odczytywania informacji. Funkcje i elementy interfejsu HMI obejmują elektromechaniczne przyciski, przełączniki, wizualne i dźwiękowe wskaźniki stanu oraz wielowarstwowe ekrany dotykowe z graficznymi interfejsami użytkownika (GUI), a także z przyciskami cyfrowymi.

Rola interfejsu HMI

Głównym celem interfejsu HMI jest skuteczna i wydajna komunikacja między operatorem a maszyną oraz jej uproszczenie. Zapewniając przyjazną dla użytkownika interakcję człowiek-maszyna, interfejsy HMI ułatwiają operatorom monitorowanie maszyn, sterowanie nimi, a także innymi systemami lub procesami. Taka interakcja może obejmować proste funkcje, takie jak włączanie i wyłączanie urządzenia lecz również bardziej złożone operacje, takie jak konfigurowanie parametrów systemu lub rozwiązywanie problemów. Za każdym panelem operatorskim znajduje się zazwyczaj sterownik programowalny (PLC), który w przypadku ekranów dotykowych może być również bezpośrednio zintegrowany z interfejsem HMI.

Przemysłowe interfejsy HMI

Przemysłowe interfejsy człowiek-maszyna odgrywają kluczową rolę w różnych sektorach, w tym w produkcji, energetyce, transporcie i służbie zdrowia. Te panele operatorskie HMI zostały zaprojektowane tak, aby wytrzymać niekiedy bardzo trudne warunki i zapewnić niezawodną pracę.

Zastosowania przemysłowych interfejsów HMI

Przemysłowe interfejsy HMI są używane w szerokim zakresie zastosowań, takich jak:

• Produkcja: monitorowanie i sterowanie procesami produkcyjnymi, zarządzanie maszynami oraz zapewnianie wysokiej jakości produktów
• Energia: nadzorowanie systemów wytwarzania oraz dystrybucji energii, zarządzanie odnawialnymi źródłami energii i optymalizacja efektywności energetycznej
• Transport: nadzorowanie systemów transportowych, takich jak koleje, metra i lotniska, w celu zapewnienia ich bezpiecznej oraz wydajnej pracy
• Służba zdrowia: zarządzanie sprzętem medycznym, monitorowanie danych oraz zapewnienie bezpieczeństwa i komfortu pacjentom
   

Wyzwania i kwestie projektowe dla przemysłowych interfejsów HMI

Projektowanie przemysłowych interfejsów HMI stwarza wyjątkowe wyzwania, w tym:

• Trudne warunki pracy: Przemysłowe interfejsy HMI muszą być skonstruowane tak, aby wytrzymywały ekstremalne temperatury, poziomy wilgotności, kurz i wibracje
• Niezawodność: Wydajność tych interfejsów musi być spójna i niezawodna, nawet jeśli działają bez przerwy
• Bezpieczeństwo: Muszą one zapewnić ochronę wrażliwych danych i zapobiegać nieupoważnionemu dostępowi do systemu, na przykład poprzez zarządzanie rolą oraz uprawnieniami użytkowników
• Personalizacja: Przemysłowy interfejs HMI musi być dostosowany do konkretnych potrzeb danej branży i wymagań operacyjnych obiektu
   

Komponenty interfejsu HMI

Interfejs użytkownika lub panel operatorski HMI składa się z różnych komponentów sprzętowych i programowych, które współpracują ze sobą, aby zapewnić bezproblemową obsługę Komponenty te obejmują:

• Ekrany dotykowe: Są to obecnie najpopularniejsze urządzenia HMI, które umożliwiają operatorom interakcję z maszynami za pomocą dotyku
• Przyciski i przełączniki elektromechaniczne: Wiele interfejsów HMI zawiera również fizyczne przyciski i przełączniki, które zapewniają dotykowe wrażenia dla użytkownika, szczególnie w środowiskach, w których same ekrany mogą nie być odpowiednie
• Wskaźniki stanu: Wizualne i dźwiękowe wskaźniki ostrzegają operatorów o stanie maszyny, pomagając im szybko ocenić i zareagować na wszelkie problemy
• Graficzne interfejsy użytkownika (GUI): GUI zapewniają wizualną reprezentację funkcji i operacji danej maszyny, ułatwiając operatorom zrozumienie i sterowanie nią
• Opcje komunikacyjne: Kanały komunikacyjne, które łączą interfejs HMI z innymi urządzeniami lub systemami, takimi jak sterowniki programowalne PLC, czujniki i aktuatory
   

Klucz do przyjaznego w obsłudze interfejsu HMI

To, jak intuicyjny i prosty w obsłudze dla użytkownika będzie interfejs HMI, zależy od dokładnego zrozumienia roli jego użytkownika i kontekstu, w którym będzie używany taki interfejs. Przed zaprojektowaniem interfejsu HMI należy wziąć pod uwagę zróżnicowane dane demograficzne przyszłych operatorów oraz ich specyficzne potrzeby, możliwości i ograniczenia. To skoncentrowane na użytkowniku podejście zapewnia, że interfejs HMI będzie intuicyjny, wydajny i dostępny dla wszystkich użytkowników.

Zrozumienie potrzeb użytkownika

Dobrze pojmowana definicja użytkownika obejmuje analizę różnych czynników, takich jak:

• Dane demograficzne:poziom  wykształcenia, biegłość techniczna lub inne istotne czynniki 
• Rola: konkretne zadania i obowiązki operatora, które mogą się różnić w zależności od jego stanowiska (normalny użytkownik, administrator itp.)
• Fizyczna lokalizacja: środowisko pracy, w tym czynniki takie jak oświetlenie, temperatura, poziom hałasu i wibracji, narażenie na pył, wodę i chemikalia oraz czy interfejs HMI będzie używany w pomieszczeniach czy na zewnątrz
• Zadania do wykonania: konkretne działania, które operator będzie musiał wykonać za pomocą interfejsu HMI
   

Podejście zorientowane na użytkownika

Aby stworzyć dobry i prosty w obsłudze interfejs HMI, należy przyjąć podejście zorientowane na użytkownika. Obejmuje to:

• Prowadzenie badań wśród użytkowników: zbieranie danych na temat potrzeb, preferencji oraz problemów użytkowników poprzez ankiety, wywiady i obserwacje
• Projektowanie pod kątem użyteczności: tworzenie interfejsu, który jest prosty opanowania, wydajny w użyciu i minimalizuje ryzyko błędów
• Prototypy i testowanie: opracowywanie prototypów i przeprowadzanie testów użyteczności w celu identyfikacji oraz rozwiązania potencjalnych problemów przed ostatecznym wdrożeniem interfejsu HMI do pracy
• Ciągłe doskonalenie: ciągłe dopracowywanie interfejsu HMI w oparciu o informacje zwrotne od użytkowników oraz ich zmieniające się wymagania
   

Zalety dobrze zaprojektowanego interfejsu HMI

Dobrze zaprojektowany interfejs HMI oferuje wiele korzyści, w tym:

• Lepsze doświadczenie użytkownika: Intuicyjny i przyjazny dla użytkownika interfejs zwiększa satysfakcję oraz produktywność operatora
• Zwiększona wydajność: Dobrze zorganizowana praca i łatwy dostęp do informacji umożliwiają operatorom szybsze oraz dokładniejsze wykonywanie zadań
• Większe bezpieczeństwo: Prezentowanie informacji w jasny i zwięzły sposób pomaga operatorom podejmować świadome decyzje, a także zmniejsza ryzyko błędów
• Lepsza świadomość sytuacyjna: Interfejsy HMI mogą dostarczać dane i alerty w czasie rzeczywistym, informując operatorów na bieżąco o stanie systemu, co umożliwia ich szybką reakcję na wszelkie problemy. W dzisiejszych fabrykach jest to szczególnie istotne, ponieważ często tylko jeden operator odpowiada za wiele maszyn, które mogą nie znajdować się bezpośrednio obok siebie.

Zalety mobilnych i noszonych przy sobie interfejsów HMI

Integracja urządzeń mobilnych i tych noszonych przy sobie z systemami HMI oferuje wiele ważnych korzyści, w tym:

• Większa mobilność: Gdy tylko operatorzy znajdują się w zakładzie, mogą sterować maszynami, zwiększając swoją zdolność do szybkiego reagowania na wszelkie pojawiające się problemy
• Większa świadomość sytuacyjna: Urządzenia noszone przy sobie zapewniają operatorom alerty i ważne dane w czasie rzeczywistym, umożliwiając im śledzenie stanu oraz wydajności maszyny
• Większa wydajność: Urządzenia mobilne i te noszone przy sobie usprawniają pracę, zapewniając łatwy dostęp do informacji oraz funkcji sterowania, skracając czas i wysiłek wymagany do zarządzania maszynami
   

Przyszłe trendy HMI

Wraz z postępem technologii i potrzeb użytkowników, możliwości interfejsów HMI również się rozwijają. Wiele najnowszych lub pojawiających się trendów ma na celu transformację interfejsów operatora, co uczyni je bardziej inteligentnymi i adaptacyjnymi:

• Pełne wdrożenie Przemysłu 4.0 polega na połączeniu interfejsów HMI z Internetem Rzeczy (IoT), a dokładniej przemysłowym Internetem Rzeczy (IIoT), aby umożliwić wymianę danych w czasie rzeczywistym i zdalne monitorowanie. To z kolei usprawnia zaawansowaną analitykę, która może być wykorzystywana do prognozowania i optymalizacji wydajności systemu.
• Sztuczna inteligencja (AI) i uczenie maszynowe (ML) umożliwiają systemom HMI uczenie się na podstawie interakcji z użytkownikami i dostosowywanie się do ich indywidualnych preferencji. Dzięki temu uzyskujemy bardziej spersonalizowane i wydajne interfejsy, które przewidują potrzeby operatora. Na przykład oparte na sztucznej inteligencji interfejsy HMI mogą analizować dane historyczne w celu przewidywania potencjalnych problemów i dostarczania zaleceń konserwacji zapobiegawczej, skracając czas przestojów w produkcji oraz zwiększając produktywność.
• Rzeczywistość rozszerzona (AR) oraz wirtualna rzeczywistość (VR) mają zrewolucjonizować środowisko HMI, sprawiając, że będzie ono bardziej wciągające i interaktywne. AR może nakładać informacje cyfrowe na środowisko fizyczne, umożliwiając operatorom przeglądanie danych i instrukcji bezpośrednio w swoim polu widzenia. Dzięki wirtualnej rzeczywistości możliwe jest symulowanie złożonych scenariuszy, dzięki czemu operatorzy mogą ćwiczyć i doskonalić swoje umiejętności w bezpiecznym oraz kontrolowanym środowisku.
• Technologie rozpoznawania głosu i przetwarzania języka naturalnego (NLP) są teraz również zintegrowane z interfejsami HMI, umożliwiając operatorom sterowanie maszynami w prosty sposób poprzez wydawanie poleceń głosowych. Upraszcza to obsługę i zmniejsza potrzebę fizycznej, „ręcznej” interakcji z interfejsem. Interfejsy HMI z obsługą głosową mogą również dostarczać dźwiękowych informacji zwrotnych, usprawniając komunikację i poprawiając ogólne doświadczenie użytkownika.
• Uwierzytelnianie biometryczne, w tym odciski palców i rozpoznawanie twarzy, może zwiększyć bezpieczeństwo oraz użyteczność interfejsów HMI. Technologie te zapewniają, że dostęp do niektórych funkcji sterowania maszynami może uzyskać wyłącznie upoważniony personel, zmniejszając ryzyko nieautoryzowanego użycia i zwiększając bezpieczeństwo operacji.