Realizzazione di una piccola Human Machine Interface (HMI) con Raspberry Pi

HMI

Le interfacce uomo-macchina (HMI, Human Machine Interface) sono ormai ampiamente diffuse in tutti i più moderni sistemi elettronici. Esempi comuni si ritrovano nella vita di tutti i giorni, dai bancomat fino ad arrivare alle casse automatiche dei supermercati. Importante dunque è capire il funzionamento di tali sistemi, in particolare la loro collocazione nel contesto dell'Industria 4.0, la cosiddetta industria dei servizi, e nel contesto dell'Internet delle Cose (Internet of Things, IoT). L'articolo presenta una breve panoramica sui sistemi HMI, confrontando tali sistemi con i più noti PLC e SCADA in ambiente industriale. Infine, viene mostrato come sia possibile realizzare una HMI utilizzando uno schermo esterno ed un Raspberry Pi. L'esempio è corredato del relativo codice Python così da favorire la replica del progetto proposto.

Cos'è una HMI?

L'acronimo HMI sta per Human Machine Interface (Interfaccia Uomo Macchina) e, come lo stesso nome suggerisce, è una funzionalità o un componente di un dispositivo o di un sistema che consente di interagire con esso. Le HMI sono ormai dappertutto. Touch screens e tastiere sono tipici esempi di una HMI. In Figura 1 è riportato un esempio di HMI utilizzato in ambito industriale.

HMI

Figura 1: Esempio di HMI utilizzata in ambito industriale

All'interno di un setup industriale, le HMI giocano un ruolo critico, in particolare nel contesto dell'Industria 4.0 o per la quarta rivoluzione industriale. Nel crescente mercato digitale, HMI hanno iniziato a diventare dei dispositivi irrinunciabili come pannello di controllo per le operazioni industriali o come equipaggiamento su diversa scala. Ad esempio, nelle industrie, gli operatori usano le HMI per monitorare, gestire e controllare le macchine automatiche e le linee di produzione. Dall'altro lato, HMI diventano una parte essenziale della operatività dei sistemi abilitando il controllo dei dispositivi presenti sul campo che potrebbero essere fisicamente difficili da raggiungere, come ad esempio in ampie aree oppure dispositivi, dispositivi IoT a lungo raggio, etc. Pertanto, man mano che le industrie si espandono e la gestione delle risorse individuali diventa quasi impossibile, le HMI sono diventate importanti per consentire alle aziende di tenere traccia di elementi importanti come prestazioni, sicurezza e manutenzione.

HMI vs PLC vs SCADA

Gli HMI sono spesso citati insieme ai PLC (Programmable Logic Controller, Controllori a Logica Programmabile) e ai sistemi SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition, Controllo di Supervisione e Acquisizione Dati), ed a volte questo crea confusione scambiando un sistema per l'altro. In realtà, rappresentano elementi distinti nei sistemi industriali. I sistemi SCADA si riferiscono ai sistemi di controllo industriale nel loro insieme, in una fabbrica o in un impianto, e sono responsabili della gestione di complesse operazioni di back-end. Per chi non lo sapesse, il front end, nella sua accezione più generale, è responsabile dell'acquisizione dei dati di ingresso e della loro elaborazione con modalità conformi a specifiche predefinite e invarianti, tali da renderli utilizzabili dal back end. Dunque, i componenti incorporati in una HMI sono necessari nei sistemi SCADA per consentire agli esseri umani di interagire facilmente con esso. Tuttavia, affinché le HMI interagiscano a loro volta con il sistema, è necessario un componente aggiuntivo: il PLC. Come suggerisce il nome, questi controllori ricevono informazioni dai sensori collegati al sistema, elaborano i dati ed eseguono uscite basate su una logica pre-programmata. Il PLC trasmette i dati all'HMI per la visualizzazione, accettando anche input per interventi o procedure specifici come l'arresto del sistema in caso di emergenza.

Benefici ed importanza delle HMI

Sebbene la funzione delle HMI sembri relativamente semplice, ci sono alcuni aspetti chiave per cui un investimento in un HMI efficace può essere una decisione saggia quando si progettano sistemi industriali. L'Internet delle Cose, o più comunemente noto come IoT, è una delle tendenze più calde della trasformazione dell'Industria 4.0. Con migliaia di dispositivi connessi all'interno di un'unica rete, dislocati su lunghe distanze, anche maggiori ai 20 km, gli HMI sono considerati una parte essenziale dei sistemi IoT, poiché consentono di aggregare e gestire condizioni e dati da un unico piano di controllo fisico. Gli HMI forniscono agli operatori dati in tempo reale e una comprensione intuitiva della produzione e delle condizioni operative. Attraverso strumenti visivi come grafici o riferimenti a dati in tempo reale, gli HMI migliorano la produttività consentendo un processo decisionale più frequente e informato su aspetti come l'ottimizzazione della produzione e la priorità operativa. In aggiunta, gli HMI consentono inoltre agli operatori di risparmiare sui costi identificando le risorse inattive e ridimensionandole in modo appropriato per soddisfare la domanda, riducendo così al minimo gli sprechi. Inoltre, le HMI forniscono i mezzi per monitorare le condizioni dei macchinari per la manutenzione preventiva o addirittura predittiva, consentendo di mitigare significativamente i costi di un guasto completo o di una sostituzione. Ancora, gli HMI sono comunemente usati per implementare misure di sicurezza per i sistemi industriali. Possono avvisare gli operatori di rischi operativi come una perdita, nonché identificare quando determinati macchinari stanno funzionando pericolosamente oltre le condizioni raccomandate. Inoltre, gli HMI spesso implementano kill switch per mitigare i danni in caso di emergenza. Per chi non lo sapesse, un kill switch è un'attività di contromisura innescata dalla macchina che attiva un processo di spegnimento controllato al fine di mitigare eventuali danni dovuti a malfunzionamenti improvvisi.

HMI: tendenze e tecnologie

Con l'integrazione di diverse tecnologie negli HMI, le loro funzioni e utilità continuano ad evolversi nel tempo. In effetti, i touch screen e i dispositivi mobili sono già oggi comunemente implementati negli HMI industriali. I touch screen forniscono un modo intuitivo per interagire con l'interfaccia utente grafica degli HMI, migliorando la produttività dell'operatore e riducendo i costi di formazione. Con i moderni smartphone che trasportano una quantità impressionante di capacità di elaborazione e potenza, alcuni HMI, che non richiedono I/O specifici, possono essere basati su software che possono quindi essere installati sui dispositivi personali, risparmiando così sui costi dell'hardware. Un Cloud HMI è anche noto come HMI basato sul Web e risiede online o nel cloud. Questi HMI sono particolarmente utili per realizzare il monitoraggio remoto dei sistemi industriali, che dovrebbero svolgere un ruolo importante nel panorama trasformato del luogo di lavoro post-pandemia. Gli HMI cloud consentono inoltre alle aziende di utilizzare potenti risorse di elaborazione per l'elaborazione di dati pesanti o l'analisi come il Machine Learning. Tali computer potrebbero non essere adatti per funzionare in ambienti industriali a causa di limiti di temperatura o dimensioni. Gli HMI Edge-of-Network funzionano secondo un principio simile agli HMI cloud, con una differenza fondamentale. Invece di un server cloud centralizzato, gli HMI Edge-Of-Network utilizzano risorse di elaborazione che si trovano sull'edge, ad esempio direttamente negli ambienti di produzione. Questi comportano numerosi vantaggi, tra cui una minore latenza, una maggiore sicurezza e una ridotta dipendenza dalla connettività di rete.

Sviluppo e scelta di una HMI

Tornando alla sua definizione fondamentale, qualsiasi dispositivo che consenta a un essere umano di interagire con un sistema macchina o dispositivo si qualifica come HMI. Lo sviluppo o la scelta di un buon HMI, tuttavia, richiede una considerazione deliberata delle sue qualità di progettazione e operabilità. Di seguito, sono riportati diversi fattori da considerare quando si sviluppa un HMI. La decisione del fattore di forma dell'HMI dipende dall'ambiente di utilizzo fisico. Quanto deve essere grande il display per mostrare i dati critici in modo efficace? L'HMI sarà tenuto in mano o installato su un supporto? Questi sono tutti fattori che devono essere bilanciati nella progettazione dell'HMI. Ad esempio, un grande schermo è ottimo per monitorare i parametri operativi, ma difficilmente è facile da usare per un tecnico sul campo che deve svolgere più attività pratiche! Dato che gli HMI alla fine fungono da ponte tra utenti e sistemi, è naturale che l'I/O non venga trascurato. Ad esempio, la connettività Gigabit Ethernet può creare o interrompere un HMI nei casi che richiedono comunicazioni ad alta velocità e bassa latenza. D'altra parte, si potrebbe voler optare per HMI con moduli di autenticazione crittografica integrati per i sistemi che gestiscono dati sensibili che devono essere tenuti al sicuro.

Gli HMI vengono utilizzati per avvisare gli operatori di condizioni che richiedono un intervento, come un guasto al macchinario o una violazione della sicurezza. Negli ambienti operativi dove pochi secondi fanno la differenza, ogni allarme deve essere in grado di richiamare l'attenzione dell'operatore ed essere associato ad una chiara azione correttiva affinché la situazione possa essere risolta in modo appropriato e tempestivo. Dunque, ulteriori linee guida e caratteristiche allarmanti includono:

  • Colori di allarme ben definiti secondo le convenzioni di sicurezza
  • Segnali visivi e uditivi distinti per attirare l'attenzione secondo necessità
  • Navigazione intuitiva dell'interfaccia grafica da ampi avvisi a diagnostica dettagliata

In definitiva, la progettazione o la scelta di una buona HMI per il proprio caso d'uso richiede un'attenta riflessione da parte del personale che la utilizzerà.

Realizzazione di una HMI con Raspberry Pi

Raspberry Pi e pochi altri componenti sono sufficienti per creare un piccolo HMI. Per questo progetto sono sufficienti:

Tale setup consente di controllare l'accensione e lo spegnimento di alcuni LED, simulando il funzionamento di un piccolo sistema domotico. L'articolo si focalizza sulla parte software dell'HMI, lasciando al lettore i collegamenti hardware. Ad ogni modo, in Figura 2 è riportato lo schema dei collegamenti per un singolo LED con Raspberry Pi.

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Una risposta

  1. Avatar photo malcore 22 Gennaio 2023

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