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人与机器之间协作水平将在工业5.0时代继续扩大

人与机器之间协作水平将在工业5.0时代继续扩大

2021-12-29 15:01

人与机器之间协作水平将在工业5.0时代继续扩大

HMI(人机界面)是将个人连接到机器、系统或设备的用户界面或控制面板,它通常应用于工业过程。最早的HMI雏形是1945年前后工业2.0时期出现的批处理界面。

批处理界面是一种非交互式用户界面,由用户预先指定批处理的详细信息,在所有处理完成后收到输出。批处理过程开始后就不再允许其他的输入。在批处理界面出现之前,是伴随蒸汽机的发明而出现的工业1.0。操作员通过简单的表计、开关和操作杆分别与每台机器进行交互。电力的出现宣布了工业2.0的到来,这个阶段始于同样有限的操作员/机器交互。随着工业2.0的发展,逐渐实现了在布满专用表盘和面板的独立控制室监控整个生产过程。这催生了批处理界面的发展。工业3.0始于1969年,当时推出了第一台可编程逻辑控制器(PLC)。

本文将追溯HMI技术的发展,首先从批处理界面讲起。然后将回顾推进HMI技术前进的演化过程——从原始的命令行界面起步,在最早的的PLC上使用,如今已发展到基于触摸屏的先进图形用户界面,以及使用联网的手持移动设备通过具有工业4.0特征的物联网(IoT)来控制和监控自动化系统。最后将简要展望HMI在工业5.0中更进一步的未来。

01

工业2.0和批处理

在工业2.0之初,人们进行调整(接受培训)来与机器协作,并不存在什么HMI。可供使用的只有从工业1.0继承而来的简单的表计、操作杆和开关。大约1890年,当制造过程中蒸汽动力被电力取代时,工业2.0开始了,这催生了劳动分工、大规模生产和装配线。直到1945年,批处理才被引入并出现了最初的HMI。

批处理不同于当今的自动化系统。它的算力有限并且成本高昂,HMI也很粗糙。用户要适应计算机。HMI增加了开销,软件则旨在最大限度地提高处理器利用率并减少HMI等开销。程序员并不直接与机器实时交互;他们制作打孔卡或纸带,交给机器操作员进行实施。

 

打孔卡和纸带是高级版本。在早期的设计中,机器使用类似于当时电话总机室的插板进行“编程”。相比之下,中间设计将指令输入到控制面板上的开关矩阵中,这些开关被打开和关闭以直接在机器中生成控制代码。程序必然是直截了当的,通常仅限于打开和关闭继电器。提交打孔卡或打孔带提高了机器的生产效率。程序可以更复杂,并可在机器外生成,使机器能够更加连续地运行。但是使用打孔卡和打孔带也存在缺点,需要按照严格的语法进行,否则卡带可能会损坏。错误时有发生,但这些错误要等到机器操作员运行程序数小时或数天后才会被发现。发现的错误得到纠正后,又需要几个小时或几天的时间来重新运行程序,但愿不要再出错。

02

计算机操作系统的提示

 

但机器用户想要的更多。

03

工业3.0

工业3.0可以追溯到计算机时代的开端,人们开始对机器进行更直接和实时的控制。从机械系统和模拟电子到数字电子的转变凸显了这一点。1969年第一台PLC的推出通常被认为是工业3.0的开始。1968年,GM Hydramatic(通用汽车的自动变速器部门)开始寻求用电子系统替代硬接线(且难以重新编程)的基于继电器的控制系统。这催生了次年生产的第一台PLC。这台PLC由Bedford Associates发明,被称为Modicon(模块化数字控制器)PLC(图2)。Modicon PLC是HMI领域的重大进步。它比通用计算机更加用户友好,并使用简单的编程语言进行操作,而编程语言注重于工业自动化所需的逻辑和开关操作。PLC包括用于机器配置、报警和一般控制的HMI。

 

图2:连接到早期PC的可编程逻辑控制器Modicon PLC 584,收藏于西班牙加泰罗尼亚国家科技博物馆。(图源:Belogorodov - stock.adobe.com)早期的PLC HMI采取多种形式:简单系统中使用按钮和指示灯,文本显示、基本图标和CLI也很常见。从20世纪70年代开始,PLC使用在远程计算机上运行的更复杂编程和HMI监控系统,整个系统通过通信接口连接。在20世纪80年代,台式计算机开始取代远程计算机提供与PLC直接连接的HMI,支持特定于供应商且简化了机器编程和监控的硬件平台。

20世纪90年代初,发布了IEC 61131-3。这是第一种独立于供应商的工业自动化和PLC用编程语言,使得HMI更易于使用。此外,在20世纪90年代,PLC上的HMI功能得到扩展,除了过程控制外,还增加了机器诊断和故障排除。20世纪90年代后期设计的PLC具有图形触摸屏HMI,并将互联网连接带到了工厂车间。

04

工业4.0

工业4.0始于工业物联网(IIoT)。在HMI发展的早期阶段,目标是实现人对机器和工业过程更强的控制。发展工业4.0 HMI则是为了支持人与机器之间不断提高的协作水平。HMI经过发展,支持将“机器”的定义扩展为包含决策支持系统、软件以及云中的大数据。工业4.0中的人机协作得到了无线连接以及便携式设备的支持,这些设备从手持控制器或手机上的触摸屏到增强现实眼镜应有尽有(图3)。其结果便是所谓的信息物理系统 (CPS),这个系统将计算和物理资产从云端集成到工厂车间。CPS始于嵌入式计算机和传感器网络,用来监控物理过程,通常将数据发送到云端进行分析。CPS的传感器和执行器与周围环境无缝融合,创造出IIoT并实现了从集中控制到分散控制的转变。过去,会有一个与每台机器或每个PLC相关联的HMI,用于在本地或在集中控制室控制多台机器。工业4.0 HMI则是分布式的,更加以人为中心。工厂中的每个人都有自己的HMI,以无线方式连接到他们控制的各种资产。

 

图3:工业4.0中的人机协作得到了无线连接以及便携式设备的支持,这些设备从手持控制器上的触摸屏到增强现实眼镜应有尽有。工业4.0 HMI通常带有预安装的App,除了控制机器人和其他机器并与之协作外,还可用于查看文档、观看教学媒体视频和安全访问外部基于Web的系统。这些HMI通常是可扩展的,可以包括各种App来支持特定活动,例如:

◇ 执行高级生产算法和计算

◇ 通过多种协议(包括与IIoT联网设备的直接连接)连接到多个来源的数据

◇ 显示历史数据

◇ 自动化工作流程

◇ 管理库存

◇ 分析机器和电机驱动器的健康状况以进行预测性维护

创建通知和发送提醒

05

工业5.0 – 下一步是什么?

工业5.0将看到人机协作更广的定义以及HMI的相应变化。工业5.0将建立在大数据、云、机器学习和人工智能的基础上。实时交叉现实界面将取代当今的HMI。

工业5.0 HMI将支持扩展的通信模式 - 人与机器、机器人以及协作机器人之间的双向通路。在工业4.0中,由人来直接控制与机器的协作。工业5.0将对此做进一步扩展,HMI将使机器能够启动与人的协作(图4)。HMI的持续发展将确保人们越来越紧密地融入工业过程和制造环境。

06

结语

HMI的发展始于工业2.0时期,人们寻求通过批处理界面更好地控制机器。随着PLC和实时HMI的相关进步,在工业3.0时期实现了更高级别的细粒度控制。工业4.0经历了范式改变,HMI的目标从对机器的严格控制转变为与机器更多的协作以及发展针对IIoT和大数据优化的HMI。人与机器之间的协作水平将在工业5.0时代继续扩大。HMI将演变为包括交叉现实环境,可以满足人与机器之间更密切的实时连接需求,由机器主动请求人类输入以帮助优化各种活动和过程。

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