ما هو نظام واجهة الإنسان والآلة؟ شرح واجهة الإنسان والآلة

أولاً: مقدمة: ما هو نظام واجهة الإنسان والآلة (HMI)؟

أن نظام واجهة المستخدم الرسوميةاختصار لـ نظام واجهة الإنسان والآلةنقطة التفاعل هي النقطة التي يتفاعل فيها الشخص مع الآلة أو خط الإنتاج أو نظام التحكم الآلي. ببساطة، هي جزء من المعدات يسمح للمشغل بـ مراقبة، والتحكم، والضبط، واستكشاف الأخطاء وإصلاحها الآلة.

قد تكون واجهة التفاعل بين الإنسان والآلة (HMI) لوحة شاشة تعمل باللمس، أن عرض صناعي، أ لوحة مفاتيح غشائية، أ لوحة التحكم، أ واجهة قائمة على الجهاز اللوحيأو مزيج من هذه الخيارات. في مجال الأتمتة الصناعية، عادةً ما تتصل واجهة المستخدم الرسومية بـ وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، وحدة التحكم، أو أجهزة الاستشعار، أو المشغلات، أو المحركات، أو نطاق أوسع نظام SCADA.

يساعد نظام واجهة المستخدم الرسومية النموذجي المشغلين على الإجابة عن أسئلة مثل:

• هل يعمل الجهاز بشكل طبيعي؟
• ما هي درجة الحرارة والضغط والسرعة أو كمية الإنتاج الحالية؟
• هل توجد أي إنذارات أو رموز أعطال؟
• ما هو وضع التشغيل النشط؟
• ما هي المعايير التي يجب تغييرها؟

على سبيل المثال، في آلة التعبئة والتغليف، شاشة واجهة المستخدم الرسومية قد تعرض شاشة العرض سرعة الإنتاج، وحالة الماكينة، وسجل الإنذارات، وإعدادات الوصفات، وأزرار التشغيل/الإيقاف. وفي المعدات ذات الظروف القاسية، قد تتضمن شاشة العرض نفسها أيضًا ما يلي: مفاتيح غشائية لمسية لضمان التشغيل الموثوق به مع ارتداء القفازات، أو في وجود الغبار أو الماء أو الاهتزاز.

باختصار، نظام واجهة الإنسان والآلة هو طبقة التحكم والتصور التي يواجهها المشغل من آلة.

ثانيًا: ماذا يرمز إليه اختصار HMI؟

HMI تعني واجهة الإنسان والآلة. يصف هذا النظام المكونات المادية والبرمجية التي تُمكّن البشر من التواصل مع الآلات. ويشمل الجانب "البشري" المشغل أو الفني أو المهندس أو عامل الصيانة. أما الجانب "الآلي" فقد يكون وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC)، أو محركًا كهربائيًا، أو مضخة، أو روبوتًا، أو شبكة استشعار، أو خط إنتاج، أو نظام أتمتة صناعية متكامل.

تشمل المصطلحات الشائعة ذات الصلة ما يلي:

• واجهة المستخدم
• واجهة الجهاز
• لوحة واجهة المستخدم الرسومية
• شاشة واجهة المستخدم الرسومية
• لوحة التحكم
• شاشة لمس صناعية
• محطة المشغل
• واجهة المستخدم الرسومية
• واجهة الإنسان والآلةمصطلح أقدم
• مكتب تكنولوجيا المعلوماتأو طرفية واجهة المشغل

خارج نطاق الصناعة، تنتشر واجهات المستخدم الرسومية في كل مكان. فأجهزة الصراف الآلي، والمصاعد، ولوحات عدادات السيارات، والأجهزة الطبية، وآلات البيع، والأجهزة المنزلية الذكية، جميعها تستخدم شكلاً من أشكال التفاعل بين الإنسان والآلة. ومع ذلك، عندما يبحث الناس عن ما هو نظام واجهة الإنسان والآلة (HMI)، وعادةً ما تعني واجهة صناعية تستخدم لـ التحكم الآلي، مراقبة العمليات، أو أتمتة المصانع.

في مجال التصنيع، لا تقتصر واجهة المستخدم الرسومية على الشاشة فحسب، بل تشمل أيضاً طبقات مطبوعة، وأزراراً محكمة الإغلاق، وشاشات LED، ومفاتيح وظيفية، وملصقات تحذيرية، وإلكترونيات اتصال. تُسهّل واجهة المستخدم الرسومية المصممة جيداً فهم بيانات الآلات المعقدة، وتمنح المشغلين طريقةً أكثر أماناً وسرعةً للتحكم في المعدات.

ثالثًا: كيف يعمل نظام واجهة الإنسان والآلة (HMI)؟

أن يعمل نظام واجهة الإنسان والآلة عن طريق تبادل المعلومات بين المشغل ونظام التحكم في الآلة.. تستقبل واجهة المستخدم الرسومية بيانات الآلة في الوقت الفعلي، وتعرضها بتنسيق قابل للقراءة، وتسمح للمشغل بإرسال الأوامر مرة أخرى إلى وحدة التحكم.

يبدو تدفق بيانات واجهة المستخدم الرسومية الأساسية كما يلي:

أجهزة الاستشعار والمشغلات ← وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة أو وحدة تحكم ← برنامج واجهة المستخدم الرسومية أو لوحة واجهة المستخدم الرسومية ← المشغل

ال وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)عادةً ما تتولى وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) معالجة منطق التحكم في الوقت الحقيقي. فهي تقرأ الإشارات من أجهزة الاستشعار، وتتحكم في المحركات أو الصمامات، وتنفذ التعليمات المبرمجة. نظام واجهة المستخدم الرسومية لا يحل محل وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) عادةً. بل يوفر واجهة مرئية وتشغيلية تتيح للمستخدمين رؤية ما تقوم به وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة.

على سبيل المثال:

• يقوم مستشعر درجة الحرارة بإرسال البيانات إلى وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC).
• تقوم وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) بإرسال تلك القيمة إلى واجهة المستخدم الرسومية (HMI).
• تعرض واجهة المستخدم الرسومية درجة الحرارة على الشاشة.
• يقوم المشغل بتغيير نقطة الضبط.
• تقوم واجهة المستخدم الرسومية (HMI) بإرسال القيمة الجديدة إلى وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC).

تشمل طرق الاتصال الشائعة في واجهة الإنسان والآلة ما يلي: إيثرنت/بروتوكول الإنترنت، مودبوس، بروفينت، OPC UA، ناقل CAN، RS232، و RS485تقوم واجهة المستخدم الرسومية بتحويل بيانات الآلة الخام إلى شاشات ورسوم بيانية وأجهزة إنذار وأزرار ومؤشرات حالة وعروض اتجاهات، مما يجعل تشغيل الآلة أكثر عملية.

رابعاً: المكونات الرئيسية لنظام واجهة الإنسان والآلة

أن نظام واجهة المستخدم الرسومية يتضمن عادةً عدة مكونات من الأجهزة والبرامج تعمل معًا. ويعتمد التصميم الدقيق على الآلة والبيئة والميزانية ومتطلبات المشغل.

تشمل المكونات الرئيسية لواجهة المستخدم الرسومية ما يلي:

• عرض: شاشة LCD، أو شاشة TFT، أو شاشة تعمل باللمس، أو شاشة صناعية، أو جهاز كمبيوتر لوحي.
• جهاز الإدخال: شاشة لمس، لوحة مفاتيح غشائية، لوحة مفاتيح سيليكون، أزرار ضغط، مقابض، أو مفاتيح.
• برنامج واجهة المستخدم الرسومية: تصميم الشاشة، وإعداد الإنذارات، وإدارة الوصفات، وصلاحيات المستخدم، وتسجيل البيانات.
• اتصال وحدة التحكم: وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، أو وحدة التحكم الدقيقة، أو وحدة الإدخال/الإخراج، أو المستشعر، أو المشغل، أو وصلة المحرك.
• منافذ الاتصال: إيثرنت، USB، RS232، RS485، CAN، واي فاي، أو 4G/5G.
• اللوحة الأمامية: طبقة رسومية، ونافذة واقية، وحشية، وملصقات، وعلامة تجارية.
• المرفق: هيكل معدني أو بلاستيكي محكم الإغلاق أو هيكل مثبت على لوحة.

من مخصصلوحة مفاتيح غشائية خبير من منظور آخر، غالباً ما يتم التقليل من شأن طبقة الإدخال الأمامية. في العديد من تصميمات واجهات المستخدم الصناعية، يجب أن تتحمل لوحة المفاتيح أو الغطاء الزيت، ومواد التنظيف الكيميائية، والرطوبة، والتعرض للأشعة فوق البنفسجية، والتآكل، والاهتزاز، والضغط المتكرر.

شاشة اللمس مرنة، ولكن واجهة المستخدم الرسومية (HMI) ذات لوحة المفاتيح الغشائية يوفر تشغيلاً ثابتاً وموثوقاً وسهلاً باللمس. وهذا مفيد بشكل خاص لوظائف التشغيل/الإيقاف، واختيار الوضع، والعمليات المتعلقة بالطوارئ، وإدخال الأرقام، أو الآلات التي يستخدمها المشغلون الذين يرتدون القفازات.

خامساً: أنواع أنظمة واجهة الإنسان والآلة

هناك عدة أنواع من أنظمة واجهة الإنسان والآلةوكل منها مناسب لتطبيق مختلف. ويعتمد اختيار النوع المناسب على وظيفة الجهاز، وبيئة التشغيل، وعادات المستخدم، ومستوى التحكم المطلوب.

تشمل أنواع واجهات المستخدم الشائعة ما يلي:

• واجهة المستخدم الرسومية ذات الأزرار الضاغطة: يستخدم أزرارًا ومفاتيح ومؤشرات ضوئية مادية.
• واجهة المستخدم الرسومية ذات لوحة المفاتيح الغشائية: يستخدم أغلفة مطبوعة محكمة الإغلاق ومفاتيح لمسية.
• شاشة اللمس HMI: يستخدم شاشة لمس رسومية للتحكم المرن.
• شاشة عرض تفاعلية صناعية (HMI) لأجهزة الكمبيوتر اللوحية: يجمع بين جهاز كمبيوتر وشاشة عرض وبرنامج واجهة المستخدم الرسومية.
• واجهة المستخدم الرسومية عبر الإنترنت: يتم الوصول إليه عبر متصفح على جهاز كمبيوتر أو جهاز لوحي أو جهاز محمول.
• واجهة المستخدم الرسومية المتنقلة: تُستخدم للمراقبة عن بُعد من خلال الأجهزة المحمولة أو الأجهزة اللوحية المتينة.
• واجهة المستخدم الرسومية المتكاملة مع نظام SCADA: متصلة بأنظمة إشرافية أكبر على مستوى المصنع.
• واجهة مستخدم متينة: مصمم للبيئات الصناعية القاسية، والبيئات الخارجية، وبيئات المركبات، والبيئات البحرية، والبيئات العسكرية.

قد لا تحتاج الآلة البسيطة إلا إلى لوحة مفاتيح صغيرة ومؤشرات LED. أما خط الإنتاج فقد يحتاج إلى لوحة مفاتيح بحجم 10 أو 15 بوصة. شاشة لمس HMI مع أجهزة الإنذار والوصفات ومخططات الاتجاهات. قد تستخدم محطة معالجة المياه شاشات واجهة المستخدم الرسومية المتصلة بشبكة أوسع نظام SCADA.

في البيئات القاسية، يختار العديد من المصنّعين تصميمًا هجينًا: شاشة لمس للعرضبالإضافة إلى مفاتيح الغشاء للوظائف المتكررة أو الحيوية.

سادساً: ما هو استخدام واجهة الإنسان والآلة (HMI)؟

أن نظام واجهة المستخدم الرسومية تُستخدم هذه التقنية لجعل تشغيل الآلات أكثر وضوحًا وأمانًا وكفاءة. فبدلاً من إجبار المشغلين على تفسير الإشارات الخام أو فحص لوحات التحكم الكهربائية، تعرض واجهة المستخدم الرسومية معلومات الآلة بتنسيق مرئي عملي.

تشمل الاستخدامات النموذجية لواجهات المستخدم الرسومية ما يلي:

• مراقبة الآلة: حالة التشغيل، ودرجة الحرارة، والضغط، والسرعة، والموقع، وعدد الدورات، ومخرجات الإنتاج.
• التحكم الآلي: بدء، إيقاف، إعادة ضبط، تحريك، اختيار الوضع، ضبط نقطة الضبط، وإدخال المعلمات.
• إدارة الإنذارات: رموز الأعطال، والتحذيرات، وتنبيهات الطوارئ، وسجل الإنذارات، والإقرار.
• عرض البيانات بصرياً: الرسوم البيانية، والمؤشرات، ومخططات العمليات، والرسوم البيانية الشريطية، ومنحنيات الاتجاه.
• إدارة الوصفات: حفظ وتحميل إعدادات الجهاز لمنتجات أو دفعات مختلفة.
• استكشاف الأخطاء وإصلاحها: تحديد أخطاء المستشعرات، وأعطال المحركات، وفشل الاتصالات، أو أسباب التوقف عن العمل.
• التحكم في وصول المستخدم: كلمات المرور، ومستويات المشغلين، وقوائم الفنيين، وصلاحيات المسؤول.
• الدعم الفني: تذكيرات الخدمة، وشاشات المعايرة، وصفحات التشخيص، ومطالبات قطع الغيار.

على سبيل المثال، قد تستخدم آلة تغليف المواد الغذائية واجهة المستخدم الرسومية للتحكم في درجة حرارة الإغلاق، وسرعة سير الناقل، وعدد المنتجات، ووصفات الدفعات، وأجهزة الإنذار. وقد يستخدم جهاز طبي نظام إغلاق محكم. واجهة المستخدم الرسومية (HMI) ذات لوحة المفاتيح الغشائية لتوفير أدوات تحكم قابلة للتنظيف، وذات ملمس واضح، ومصنفة بوضوح.

يقلل تصميم واجهة المستخدم الرسومية الجيدة من التخمين ويمنح المشغلين المعلومات الصحيحة في الوقت المناسب.

سابعاً: واجهة الإنسان والآلة مقابل وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة مقابل نظام التحكم الإشرافي وجمع البيانات: ما الفرق؟

كثير من الناس يخلطون واجهة المستخدم الرسومية، وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، و سكادالكنهما ليسا متطابقين. غالباً ما يعملان معاً في نظام أتمتة صناعية، لكن لكل منهما دور مختلف.

ال وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) هو وحدة التحكم المنطقية في الآلة. يستقبل إشارات الإدخال، ويتخذ القرارات بناءً على المنطق المبرمج، ويتحكم في المخرجات. نظام واجهة المستخدم الرسومية هي واجهة المشغل التي تعرض بيانات وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) وتتيح للمشغل تغيير الإعدادات أو إرسال الأوامر.

سكادا عادةً ما يكون نطاق نظام SCADA أوسع من نطاق واجهة المستخدم الرسومية (HMI). قد يشرف نظام SCADA على العديد من الآلات، والمحطات البعيدة، ومناطق الإنتاج، أو أصول المرافق. وغالبًا ما يتضمن تسجيل البيانات، والإنذارات، وإعداد التقارير، والوصول عن بُعد، وغرف التحكم المركزية.

مثال عملي:

• يتحكم جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) في المضخة.
• تتيح واجهة المستخدم الرسومية للمشغل تشغيل المضخة وعرض الضغط.
• يقوم نظام SCADA بمراقبة جميع المضخات في جميع أنحاء المنشأة.

لذا، واجهة المستخدم هي HMI، وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) هي وحدة التحكم، و نظام SCADA هو نظام الإشراف.

ثامناً: التطبيقات الشائعة لأنظمة واجهة الإنسان والآلة

أنظمة واجهة الإنسان والآلة تُستخدم هذه الأجهزة في أي مكان يحتاج فيه الناس إلى تشغيل الآلات أو مراقبتها أو إصلاح أعطالها. وهي شائعة بشكل خاص في الأتمتة الصناعية، والتحكم في العمليات، والتصنيع، والنقل، والطاقة، والمعدات المتخصصة.

تشمل تطبيقات واجهة المستخدم الرسومية الشائعة ما يلي:

• معدات التصنيع: آلات التعبئة والتغليف، وآلات التحكم الرقمي الحاسوبي، وخطوط التجميع، وآلات الفحص، وآلات قولبة الحقن، وأنظمة الاختبار.
• الصناعات التحويلية: معالجة الأغذية، وإنتاج المواد الكيميائية، والمستحضرات الصيدلانية، ومعالجة المياه، والنفط والغاز، وتوليد الطاقة.
• المركبات والمعدات المتنقلة: الآلات الزراعية، ومعدات البناء، والأنظمة البحرية، والرافعات الشوكية، وأنظمة السكك الحديدية، والمركبات الخاصة.
• الأجهزة الطبية والمخبرية: أجهزة التعقيم، وأجهزة التحليل، ومعدات التشخيص، وأجهزة المراقبة، وأدوات الاختبار.
• الطاقة والمرافق: أنظمة الطاقة الشمسية، والمولدات، وتخزين البطاريات، وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، والمضخات، والمحطات الفرعية.
• المعدات التجارية: الأكشاك، وآلات البيع، والمصاعد، وأنظمة أتمتة المباني، وأنظمة التحكم في الوصول.

في العديد من هذه التطبيقات، يجب أن تكون واجهة المستخدم الرسومية أكثر متانة من شاشة المستهلك القياسية. قد تحتاج إلى مانع تسرب IP65 أو IP67، مقاومة المواد الكيميائية، ومقاومة الأشعة فوق البنفسجية، ونوافذ مضادة للوهج، وردود فعل لمسية، ومتانة الملصقات على المدى الطويل.

لهذا السبب لوحات مفاتيح غشائية مخصصة، تراكبات رسوميةلا تزال الأيقونات ذات الإضاءة الخلفية، ونوافذ LED، واللوحات الأمامية المحكمة الإغلاق شائعة الاستخدام. فهي تتيح لمصنعي المعدات بناء منتجات موثوقة، تحمل علامة تجارية، ومخصصة لتطبيقات محددة. واجهة HMI صناعية.

تاسعاً: فوائد نظام واجهة الإنسان والآلة

تصميم جيد نظام واجهة المستخدم الرسومية يُحسّن هذا النظام طريقة تفاعل المشغلين مع الآلات. ولا يقتصر الأمر على إضافة شاشة فحسب، بل يتعلق بتسهيل فهم بيانات الآلة وتيسير عملية التحكم بها.

تشمل المزايا الرئيسية ما يلي:

• رؤية أفضل: يمكن للمشغلين رؤية حالة الآلة في الوقت الفعلي، والإنذارات، وقيم العمليات، وبيانات الإنتاج.
• حل المشكلات بشكل أسرع: تساعد رموز الأعطال وسجل الإنذارات وشاشات التشخيص في تقليل وقت التوقف عن العمل.
• تحسين الإنتاجية: يستطيع المشغلون ضبط الإعدادات وتحميل الوصفات والاستجابة للمشاكل بسرعة أكبر.
• تشغيل أكثر أمانًا: تساهم التحذيرات الواضحة، والتحكم في الوصول، والإجراءات الموجهة في تقليل مخاطر التشغيل.
• تقليل وقت التدريب: يُسهّل تصميم واجهة المستخدم الرسومية المنطقي على المشغلين الجدد تعلم استخدام الآلات.
• إنتاج متواصل: إدارة الوصفات ونقاط الضبط المُتحكم بها تقلل من الخطأ البشري.
• صيانة أفضل: تدعم شاشات الخدمة وعدادات وقت التشغيل وتنبيهات الصيانة الخدمة المخططة.
• جمع البيانات المفيدة: يمكن لبرنامج واجهة المستخدم الرسومية تسجيل الإنذارات، وإحصاءات الإنتاج، ودورات الآلات، واتجاهات العمليات.

بالنسبة لمصنعي الآلات الأصلية، تعمل واجهة المستخدم الرسومية أيضًا على تحسين الجودة المتصورة للمعدات. شاشة واجهة المستخدم الرسوميةمتين تراكب رسوميوموثوق مفتاح غشائياجعل الآلة تبدو أكثر احترافية وأسهل في التشغيل.

في البيئات القاسية، تكون الفائدة أكثر مباشرة: فالتصميم الصحيح لواجهة المستخدم يمنع الماء والغبار والزيت وسوء استخدام المشغل من أن تصبح مشاكل موثوقية يومية.

X. تصميم واجهة المستخدم الرسومية: ما الذي يجعل واجهة المستخدم الرسومية جيدة؟

جيد واجهة HMI يتميز التصميم بالوضوح والعملية، وهو مصمم وفقًا لطريقة عمل المشغلين الفعلية. أفضل تصميم لواجهة المستخدم الرسومية لا يُثقل الشاشة برسومات غير ضرورية، بل يعرض المعلومات المهمة بسرعة، ويُسهّل تنفيذ الإجراءات الشائعة.

يجب أن يتضمن تصميم واجهة المستخدم الرسومية الجيدة ما يلي:

• مسح التسلسل الهرمي للشاشة: شاشات الصفحة الرئيسية، والتشغيل، والإنذار، والإعدادات، والوصفات، والصيانة.
• نص قابل للقراءة: حجم الخط المناسب، والتباعد، والتباين، واختيار اللغة.
• وضع الأزرار بشكل منطقي: ينبغي أن تكون عناصر التحكم المستخدمة بكثرة سهلة العثور عليها.
• تحديد أولويات الإنذارات: ينبغي أن تبرز الأعطال الحرجة عن التحذيرات الطفيفة.
• رموز متسقة: ينبغي استخدام الرموز والألوان والملصقات والوحدات بشكل متسق.
• عملية سهلة الاستخدام حتى مع ارتداء القفازات: أهداف لمس كبيرة أو مفاتيح فعلية عند الحاجة.
• الحماية من الأخطاء: مطالبات تأكيد للعمليات الحساسة.
• التصميم البيئي الجيد: ألواح أمامية محكمة الإغلاق، وأغطية متينة، ومواد مناسبة.

من منظور تصنيع لوحات المفاتيح، فإن الواجهة المادية لا تقل أهمية عن شاشة البرنامج. واجهة المستخدم الرسومية (HMI) ذات لوحة المفاتيح الغشائية ينبغي أن يتمتع بقوة قبة مناسبة، وتباعد مناسب بين المفاتيح، ونقش بارز، ونوافذ LED، واختيار مناسب للمواد اللاصقة، وتصميم مناسب للموصلات.

بالنسبة للمعدات الصناعية، الهدف بسيط: يجب أن يعرف المشغل ما يحدث، وما الإجراء المطلوب، والزر الذي يجب الضغط عليه دون تردد. يقلل نظام واجهة المستخدم الرسومية الجيد من الارتباك، ووقت التوقف، وأخطاء التشغيل.

الحادي عشر. مكونات واجهة المستخدم الرسومية: شاشة اللمس مقابل لوحة المفاتيح الغشائية مقابل التصميم الهجين

عند تصميم نظام واجهة المستخدم الرسوميةأحد القرارات المهمة هو ما إذا كان سيتم استخدام شاشة لمس، أو لوحة مفاتيح غشائية، أو واجهة هجينة. لكل خيار مزاياه.

أ واجهة مستخدم تعمل باللمس يُعدّ هذا النظام مثاليًا عندما يحتاج المشغل إلى شاشات متعددة، وتغيير المعلمات، ومخططات الاتجاهات، والإنذارات، وإدارة الوصفات. كما أنه يتميز بالمرونة وسهولة التحديث عبر برنامج واجهة المستخدم الرسومية.

أ لوحة مفاتيح غشائية يُعدّ هذا المنتج مثاليًا للعمليات الثابتة أو المتكررة أو الحساسة. فهو يوفر استجابة لمسية، وعلامات واضحة، ومقاومة للمواد الكيميائية، وإحكامًا قويًا. كما أنه يعمل بكفاءة عالية حتى عند ارتداء العاملين للقفازات أو عندما يكون السطح رطبًا أو مغبرًا أو زيتيًا.

أ تصميم واجهة المستخدم الهجينة غالباً ما يُعطي أفضل النتائج. تتولى شاشة اللمس عرض البيانات والقوائم. أما لوحة المفاتيح الغشائية فتتولى بدء التشغيل والإيقاف وإعادة الضبط واختيار الوضع وإدخال الأرقام والأوامر الأكثر استخداماً.

بالنسبة لمصنعي الآلات الصناعية، فإن السؤال ليس "شاشة لمس أم لوحة مفاتيح؟" بل السؤال الأفضل هو: أي طريقة تحكم ستظل موثوقة في بيئة العمل الحقيقية؟

ثاني عشر: مواصفات واجهة المستخدم الرسومية المهمة التي يجب مراعاتها

قبل اختيار نظام واجهة المستخدم الرسوميةينبغي على المهندسين وفرق المشتريات التأكد من المواصفات الفنية. يجب أن تتوافق واجهة المستخدم الرسومية الجيدة مع وحدة التحكم، والبيئة، واحتياجات المشغل، ودورة حياة الآلة.

تشمل مواصفات واجهة المستخدم الرسومية المهمة ما يلي:

• حجم الشاشة: تشمل الأحجام الشائعة 4.3 بوصة، و7 بوصات، و10.1 بوصة، و12.1 بوصة، و15 بوصة، و21.5 بوصة.
• دقة: تساهم الدقة العالية في تحسين قابلية القراءة للشاشات ذات التفاصيل الدقيقة.
• سطوع: قد تتطلب البيئات الخارجية أو ذات الإضاءة العالية شاشات قابلة للقراءة تحت أشعة الشمس.
• نوع اللمس: اللمس المقاوم، أو اللمس السعوي، أو اللمس المتوافق مع القفازات، أو عدم وجود لمس.
• طريقة الإدخال: شاشة لمس، لوحة مفاتيح غشائية، لوحة مفاتيح سيليكون، أزرار مادية، أو تحكم هجين.
• المعالج والذاكرة: مهم للرسومات المتقدمة، أو تسجيل البيانات، أو وظائف عميل SCADA.
• نظام التشغيل: ويندوز، لينكس، أندرويد، نظام التشغيل المدمج، أو وقت التشغيل الخاص.
• تواصل: Ethernet، RS232، RS485، CAN، USB، Wi-Fi، 4G/5G، Modbus، PROFINET، أو OPC UA.
• التصنيف البيئي: IP65، IP67، مقاومة للاهتزاز، نطاق واسع لدرجات الحرارة، مقاومة للأشعة فوق البنفسجية، ومقاومة للمواد الكيميائية.
• طريقة التركيب: تركيب على اللوحة، أو تركيب VESA، أو سكة DIN، أو محمول باليد، أو تركيب على المركبة.
• مدخلات الطاقة: 12 فولت تيار مستمر، 24 فولت تيار مستمر، مدخل جهد واسع، أو طاقة السيارة.

بالنسبة للوحات الأمامية المخصصة لواجهة المستخدم الرسومية، تحقق أيضًا من مادة التغطية، والمادة اللاصقة، والنقش، ونوافذ LED، ومسافة الموصل، وطول الذيل، ومتطلبات الإضاءة الخلفية.

ثالث عشر: ميزات برامج واجهة المستخدم الرسومية

برنامج واجهة المستخدم الرسومية يُعد هذا الجزء من النظام المستخدم لإنشاء واجهة المستخدم وتكوينها وتشغيلها. وهو يحول بيانات الآلة إلى أزرار ومؤشرات وإنذارات ورسوم بيانية وشاشات تحكم.

تشمل الميزات الشائعة لبرامج واجهة المستخدم الرسومية ما يلي:

• محرر الشاشة: يقوم ببناء التصميم المرئي، بما في ذلك الأزرار والنصوص والعدادات والأيقونات ورسومات العمليات.
• قاعدة بيانات الوسوم: يربط كائنات واجهة المستخدم الرسومية بعناوين وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة أو سجلاتها أو متغيراتها.
• إدارة الإنذارات: يعرض الأعطال والتحذيرات وسجل الإنذارات وحالة الإقرار ومستويات الأولوية.
• تسجيل البيانات: يسجل بيانات الإنتاج، وقيم العمليات، ووقت التوقف، أو إجراءات المشغل.
• عرض الاتجاهات: يعرض منحنيات في الوقت الفعلي ومنحنيات تاريخية لدرجة الحرارة والضغط والسرعة والتدفق أو غيرها من القيم.
• إدارة الوصفات: يقوم بحفظ وتحميل معلمات الآلة لمنتجات أو دفعات مختلفة.
• صلاحيات المستخدم: يتحكم في الوصول حسب مستوى المشغل أو الفني أو المهندس أو المسؤول.
• المراقبة عن بعد: يسمح بالوصول عبر المتصفح، أو الجهاز اللوحي، أو الهاتف المحمول، أو VPN، أو السحابة، أو SCADA.
• دعم متعدد اللغات: مفيد لآلات التصدير والمصانع العالمية.
• وظائف الأمن السيبراني: كلمات المرور، وأدوار المستخدمين، والاتصالات الآمنة، والتحكم في تحديثات البرامج.

يجب أن يكون برنامج واجهة المستخدم الرسومية الجيد سهل الصيانة. غالباً ما تبقى الآلات في الخدمة لسنوات عديدة، لذا فإن بنية المشروع الواضحة، وأسماء العلامات المقروءة، وصفحات الإنذار المنظمة، ومنطق الشاشة الموثق أمور قيّمة.

أفضل برامج واجهة المستخدم الرسومية تدعم كلاً من التشغيل اليومي والخدمة طويلة الأجل.

الرابع عشر: اتصال واجهة الإنسان والآلة بالأنظمة الصناعية

أن نظام واجهة المستخدم الرسومية يجب أن تتواصل واجهة المستخدم الرسومية بشكل موثوق مع الأجهزة الصناعية. فبدون اتصال مستقر، لا يمكنها عرض بيانات الآلة بشكل صحيح أو إرسال أوامر دقيقة.

تتواصل معظم واجهات التفاعل بين الإنسان والآلة مع وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) أو وحدة التحكم. تقرأ واجهة المستخدم الرسومية (HMI) القيم من وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، مثل درجة الحرارة والضغط والسرعة والعدد وبتات الحالة وإشارات الإنذار. كما يمكنها كتابة القيم مرة أخرى إلى وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة، مثل نقاط الضبط وأوامر إعادة الضبط واختيارات الوضع أو معلمات الوصفة.

تشمل خيارات الاتصال الشائعة في واجهة المستخدم الرسومية ما يلي:

• إيثرنت/بروتوكول الإنترنت
• Modbus TCP
• Modbus RTU
• بروفينت
• بروفيبوس
• OPC UA
• ناقل CAN
• RS232
• RS485
• USB
• 
  اتصال واي فاي أو اتصال خلوي، عند الاقتضاء

في العديد من الأنظمة، تتواصل واجهة المستخدم الرسومية (HMI) بشكل غير مباشر مع أجهزة الاستشعار والمشغلات عبر وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC). أما في الأنظمة الأكثر تطوراً، فقد تتصل واجهة المستخدم الرسومية أيضاً بـ سكادا، نحنمنصات الحوسبة السحابية، أو لوحات معلومات إنترنت الأشياء الصناعية.

تشمل مشاكل الاتصال الشائعة عنوان IP خاطئ، وإعدادات البروتوكول غير الصحيحة، ومعدل نقل البيانات غير المتطابق، وبرنامج تشغيل PLC خاطئ، وكابل غير محكم، وأخطاء عنوان العلامة، أو زمن استجابة الشبكة.

بالنسبة للمعدات الصناعية، يجب اختبار الاتصال في ظروف التشغيل الفعلية. فشاشة واجهة المستخدم الرسومية الجميلة لا فائدة منها إذا كانت البيانات متأخرة أو غير صحيحة أو غير موثوقة.

أمثلة على أنظمة واجهة المستخدم الرسومية (HMI)

أسهل طريقة للفهم ما هو نظام واجهة المستخدم الرسومية (HMI) يتمثل ذلك في النظر إلى أمثلة واقعية.

في آلة التعبئة والتغليفقد تعرض واجهة المستخدم الرسومية عدد المنتجات المنتجة، ودرجة حرارة التغليف، وسرعة الناقل، وإنذارات الأعطال، ووصفات الدفعات، وإرشادات الصيانة. ويمكن للمشغل تشغيل الآلة، وضبط السرعة، وإعادة ضبط الإنذارات، وتغيير إعدادات المنتج.

في نظام معالجة المياهقد تعرض واجهة المستخدم الرسومية حالة المضخة، ومستوى الخزان، ومعدل التدفق، وموضع الصمام، والضغط، وجرعات المواد الكيميائية، وسجل الإنذارات. يستخدم المشغلون هذه الواجهة لمراقبة العملية والاستجابة للحالات غير الطبيعية.

في ماكينة CNCقد تعرض واجهة المستخدم الرسومية سرعة المغزل، وموضع المحور، ومعلومات الأداة، ووضع التشغيل، وحالة البرنامج، ورسائل الخطأ.

في أنظمة المركبات أو الأنظمة البحريةقد تتضمن واجهة المستخدم الرسومية حالة المحرك، وجهد البطارية، وبيانات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، والتشخيص، والتحكم في الإضاءة، والوظائف المتعلقة بالملاحة.

أ لوحة مفاتيح غشائية مخصصة HMI قد تبدو أبسط، لكنها لا تزال تؤدي دورًا مهمًا. قد تتضمن أيقونات وظائف مطبوعة، ومفاتيح معدنية بارزة الملمس، ونوافذ مؤشر LED، ونافذة عرض شفافة، وسلك توصيل مرن متصل بلوحة الدوائر المطبوعة الرئيسية.

في كل حالة، يوفر نظام واجهة المستخدم الرسومية للمشغل طريقة عملية لفهم الآلة والتحكم بها.

السادس عشر: كيفية اختيار نظام واجهة المستخدم الرسومية المناسب

اختيار الخيار الصحيح نظام واجهة المستخدم الرسومية يبدأ الأمر بالتطبيق، وليس بحجم الشاشة. قد لا يكون أفضل نظام واجهة مستخدم رسومية (HMI) لجهاز داخلي نظيف مناسبًا لنظام خارجي رطب أو مغبر أو مثبت على مركبة.

ابدأ بالسؤال:

• ما هي الآلة أو العملية التي ستتحكم بها واجهة المستخدم الرسومية؟
• ما هو بروتوكول PLC أو وحدة التحكم أو الاتصال المستخدم؟
• ما هي البيانات التي يجب عرضها؟
• ما هي الأوامر التي يجب على المشغل إدخالها؟
• هل سيرتدي المشغلون قفازات؟
• هل البيئة رطبة، مغبرة، زيتية، حارة، باردة، أم معرضة لأشعة الشمس؟
• هل يحتاج النظام إلى تنبيهات، أو وصفات، أو اتجاهات، أو تسجيل بيانات؟
• هل المراقبة عن بعد مطلوبة؟
• ما هي الشهادات أو تصنيفات الملكية الفكرية المطلوبة؟

بالنسبة لآلة بسيطة، صغيرة الحجم لوحة واجهة المستخدم الرسومية قد يكون استخدام عدد قليل من الشاشات كافياً. أما بالنسبة لخط إنتاج معقد، فيُفضّل استخدام عدد أكبر من الشاشات. شاشة عرض صناعية (HMI) قد يكون الاتصال بنظام SCADA أكثر ملاءمة. بالنسبة للآلات المتينة، يُفضل استخدام جهاز محكم الإغلاق. لوحة مفاتيح غشائية أو قد يكون نظام واجهة المستخدم الهجينة هو الخيار الأفضل.

ضع في اعتبارك أيضًا دورة حياة المنتج. غالبًا ما تعمل الآلات الصناعية لمدة 5 أو 10 أو حتى 15 عامًا. يجب أن تكون واجهة المستخدم الرسومية قابلة للصيانة والاستبدال، وأن تحظى بدعم فني كافٍ طوال فترة التشغيل الفعلية للمعدات.

١٧. مشاكل واجهة المستخدم الرسومية الشائعة ونصائح لحل المشكلات

حتى الجيد نظام واجهة المستخدم الرسومية قد تنشأ مشاكل إذا لم يتم تصميم الأجهزة أو البرامج أو الاتصالات أو الحماية البيئية بشكل صحيح.

تشمل المشاكل الشائعة في واجهة المستخدم الرسومية ما يلي:

• لا يوجد اتصال بوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC): تحقق من الكابل، وعنوان IP، وبروتوكول الاتصال، وبرنامج تشغيل PLC، ومعدل الباود، وعنوان العلامة.
• شاشة اللمس لا تستجيب: تحقق من المعايرة، وتلوث السطح، والبرامج الثابتة، وتلف اللمس، أو توافق القفازات.
• بيانات خاطئة على الشاشة: تحقق من تعيين العلامات، وعناوين سجلات وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة، والتحجيم، والوحدات، ومعدل التحديث.
• لا يظهر الإنذار: تحقق من منطق تشغيل الإنذار، وإعدادات الأولوية، وقواعد الإقرار، وبتات إنذار وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC).
• استجابة واجهة المستخدم بطيئة: تحقق من حمل الشبكة، والرسومات الزائدة، وسعة المعالج، وإعدادات تسجيل البيانات.
• شاشة غير قابلة للقراءة: تحقق من السطوع، وزاوية الرؤية، والتعرض لأشعة الشمس، والسطح المضاد للوهج، أو حالة الإضاءة الخلفية.
• أزرار لوحة المفاتيح لا تعمل: تحقق من طرف كابل التوصيل المرن، والموصل، واستمرارية الدائرة، وتلامس القبة المعدنية، وضغط المادة اللاصقة، وتلف الطبقة الخارجية.
• الرطوبة داخل اللوحة: تحقق من تصميم الحشية، وإحكام إغلاق العلبة، ومدخل الكابل، واختيار المادة اللاصقة، وتصنيف IP.

ل واجهة المستخدم الرسومية (HMI) ذات لوحة المفاتيح الغشائية يُعد اختبار استمرارية الدائرة مفيدًا بشكل خاص في عملية استكشاف الأعطال وإصلاحها. قد يكون سبب تعطل المفتاح انهيار القبة، أو تشقق مسار الدائرة، أو عدم محاذاة الموصل، أو التلف الكيميائي، أو الإجهاد الميكانيكي على الطرف.

يبدأ حل المشكلات الجيد بمبدأ واحد: تقسيم المشكلة إلى قوة، تواصل، برمجة، مدخل، و البيئة الأسباب.

الثامن عشر: اتجاهات واجهة الإنسان والآلة والتطورات المستقبلية

ال نظام واجهة المستخدم الرسومية يتطور هذا المجال بسرعة مع ازدياد ترابط أنظمة التشغيل الآلي الصناعي. لا تزال لوحات واجهة المستخدم التقليدية مستخدمة على نطاق واسع، لكن الأنظمة الأحدث تضيف إمكانية الوصول إلى الإنترنت، والمراقبة عبر الأجهزة المحمولة، وبيانات السحابة، وتشخيصات أكثر ذكاءً.

تشمل الاتجاهات المهمة في مجال واجهات المستخدم الرسومية ما يلي:

• واجهة المستخدم الرسومية عبر الإنترنت: يمكن للمشغلين والمهندسين الوصول إلى الشاشات من خلال متصفح الإنترنت.
• تكامل إنترنت الأشياء الصناعية: تتم مشاركة بيانات واجهة المستخدم الرسومية مع أجهزة الاستشعار، والمنصات السحابية، ولوحات المعلومات، وأدوات التحليل.
• المراقبة عن بعد: يمكن لفرق الصيانة فحص حالة الآلة دون الحاجة للوقوف بجانبها.
• الصيانة التنبؤية: يمكن أن تساعد بيانات وقت التشغيل، والإنذارات، والاهتزاز، ودرجة الحرارة، والاتجاهات في التنبؤ بالأعطال.
• واجهة المستخدم الرسومية المتنقلة: تُستخدم الأجهزة اللوحية المتينة والمحطات الطرفية المحمولة باليد للتشغيل والخدمة عن بُعد.
• متطلبات أعلى للأمن السيبراني: أصبحت مصادقة المستخدم، والشبكات الآمنة، والوصول القائم على الأدوار، وتحديثات البرامج أكثر أهمية.
• تصميم متين أفضل: تزايد الطلب على واجهات مقاومة للماء، وقابلة للقراءة تحت أشعة الشمس، وسهلة الاستخدام مع القفازات، ومقاومة للاهتزاز.
• واجهات هجينة: شاشات اللمس المدمجة مع لوحات المفاتيح الغشائية، ومصابيح LED، والمقابض، والأزرار المادية.

حتى مع وجود برامج أكثر تطوراً، سيظل تصميم واجهة المستخدم المادية مهماً. ففي العديد من المصانع، لا يزال المشغلون بحاجة إلى أدوات تحكم يمكن الضغط عليها بثقة أثناء ارتداء القفازات، أو الوقوف تحت ضوء ساطع، أو العمل في بيئات تحتوي على الماء والزيت والاهتزازات والضوضاء.