許多製造商已經打造了完善的控制和監控核心功能,將其嵌入到自己的專用控制器、智慧閥門和智慧表等近邊緣設備(near-edge device)中。這些智慧設備通常會連接到可程式邏輯控制器(PLC)或其他集中控制器以來回傳遞資料,而控制器通常又會連接到基於個人電腦(PC)的人機介面(HMI)。

HMI由於具有所需的乙太網路埠、協定支援、資料儲存和資料處理功能,因此成為通往上層運算平台(如SCADA系統)、企業資料庫、ERP系統和工業物聯網(IIoT)的閘道。

這些近邊緣設備中嵌入了智慧,而這通常是製造商的核心智慧財產權。例如,溫度控制器讀取溫度、執行PID回路,並監視警報設置點(圖1)。它通常利用一個序列埠和簡單協議(如Modbus)或透過乙太網路連接到集中控制器或HMI。

20180313NT01P1 圖1 近邊緣設備(如圖中的溫度控制器)通常具有足夠的板載運算資源來託管嵌入式HMI。(圖片來源:AutomationDirect)

近邊緣設備的另一個例子是電表,它透過電流互感器和電壓互感器來檢測能量的使用,並將這一資料轉換成功率資訊,然後可能將其發送到集中控制器或HMI。

隨著近邊緣設備智慧化的提高,並非在所有情況下都需要用集中控制器和HMI來連接上層運算系統和IIoT。這些近邊緣設備已經在其嵌入式平台作業系統(如Linux或VxWorks)中處理了所需的即時控制和監視功能。

許多這些設備所沒有的是:繞過集中控制器和HMI,將資訊直接傳遞到上層運算平台和IIoT的途徑。為實現這種高階連接,資料收集和相關功能通常可以直接嵌入到近邊緣設備中(圖2)。

20180313NT01P2 圖2 將嵌入式HMI添加到近邊緣硬體設備,就能使其(通常透過網際網路)連接到其他多種運算平台。 (圖片來源:InduSoft)

嵌入HMI的優點

這種方法的優點取決於應用。在某些情況下,近邊緣設備可以使用其嵌入式HMI來為整個機器替代基於PC的HMI。在其他應用中,近邊緣設備可以執行雙連接功能:連接到集中控制器,交換即時控制資訊,以及直接連接到上層運算平台,交換分析所需(但不屬即時控制)的資料。

在任一情況下,主要優勢都是嵌入式HMI中的內建軟體驅動程式。近邊緣設備製造商不再需要為市場上的數百種集中控制器、基於PC的HMI和上層運算平台中的每一種都開發和維護軟體驅動程式,而是可以簡單地將嵌入式HMI軟體載入到設備上。近邊緣設備製造商也不需要編寫程式碼來為設備上的本地顯示打造圖形,因為嵌入式HMI可以透過簡單的配置步驟執行此功能。

由於軟體配置取代了客製化程式設計,編譯後的配置可以下載到設備中,因此近邊緣設備製造商可以更快速度、更低成本開發產品。

如何在近邊緣設備中嵌入HMI功能

近邊緣設備不僅僅是能夠執行嵌入式控制和監視功能。透過嵌入正確的軟體,這些設備可以提供資料收集、資料儲存、上層運算平台連接,以及本地或遠端操作介面—打造板載嵌入式HMI。與基於PC的HMI或託管在專用平台上的HMI不同(這兩種都內建顯示器),操作人員可以利用兩種方式與嵌入式HMI進行互動:

1.透過內建顯示螢幕——假定近邊緣設備配備;

2.利用與近邊緣設備連接的上層運算平台。

在大多數情況下,近邊緣設備將保留與集中控制器來回傳遞資料的能力。但是使用嵌入式HMI,它也可以將資料直接發送到上層運算平台和IIoT——傳統上這是基於PC的HMI任務。

隨著處理器性能和記憶體晶片的進步,近邊緣設備中的可用運算資源不斷增加,將這種嵌入式HMI功能添加到近邊緣設備的主要問題是軟體開發。客製化程式設計當然可以增加所需的功能,但這僅適用於年銷量很高的設備,因為軟體發展、測試和維護成本都很高。

客製化程式設計的另一個問題是需要編寫驅動程式來與市場上各種集中控制器和HMI,以及不同類型的上層運算系統進行通訊。第三個問題是透過對所有這些軟體驅動程式所連接的控制器、HMI和上層運算系統的韌體進行修訂,來對其進行維護。大多數近邊緣設備製造商僅透過在其序列埠和乙太網路埠上支援少數通訊協定,來應對此問題。這簡化了他們的程式設計和維護要求,但是限制了產品的使用。

許多近邊緣設備儘管顯示器通常非常強大,但是只提供非常基本的操作介面功能。問題是打造複雜顯示器所需的客製化程式設計。

解決這些問題的另一種方法是使用現成的軟體添加所需的嵌入式HMI功能,例如InduSoft的IoTView或其他類似產品。與客製化程式設計相比,這些基於PC的軟體開發環境提供了一種更「隨插即用(drop-in and done)」的方案,從而可加快產品上市時間,降低開發成本。這些方案通常還包括數百種連接到集中控制器和HMI,以及上層運算系統的驅動程式。嵌入式HMI方案還具有非常強大的內建圖形配置功能,以及廣泛的物件程式庫。

嵌入式HMI軟體必須緊湊輕便,並且能夠在多個作業系統上運作,以允許在各種近邊緣設備上下載和執行。假設選定的產品具有這些功能,以下介紹如何將其添加到近邊緣設備。表1顯示的實現細節適用於IoTView,但類似的產品將具有許多相同步驟。

20180313NT01P2-1 表1 實現嵌入式HMI的步驟。

創建、配置和下載

在大多數情況下,建立嵌入式HMI應用的平台會是一個基於PC的開發環境。在創建專案時,開發人員必須知道或決定近邊緣處理器類型(Arm、x86等)和作業系統(Windows Embedded、Linux、VxWorks等),如此,開發人員便能選擇正確的工具和編譯器。就InduSoft的IoTView而言,在下載到目標近邊緣設備前無需編譯,所以項目在下載之前可保持平台獨立性。

在配置用於本地或遠端查看的圖形化介面時,必須時刻將用戶牢記在心。是否能創建包含所需資訊且對使用者友善的正確使用者介面,將最終決定整個產品的成敗,因為使用者介面是使用者第一眼所見,也是與設備互動的要素。

資料太多或太少都有問題,因此要特別關注哪些資料必須要一目了然、快速查看或仔細研究。顯示內容取決於用以查看資料的設備,以及哪些資訊對使用者是重要的。圖形設計應遵循圖3所示的常見使用者介面做法。

20180313NT01P3 圖3 在任何嵌入式HMI實作中,為近邊緣設備上的本地顯示或其他地方的遠端顯示配置圖形都是不可或缺的重要步驟。 (圖片來源:InduSoft)

專案的早期應該決定從嵌入式設備到其他平台所需的通訊(如利用Modbus/TCP或乙太網路/IP與SCADA系統通訊)。仔細定義嵌入式HMI將提供的資料,以及所需變數和其儲存位址非常重要,而保持地址連續和短的變數名稱(標籤名稱)可提高通訊效率(圖4)。

20180313NT01P4 圖4 配置近邊緣設備和其他運算系統之間的連接應牢記簡單易行的原則,以提高通訊效率。(圖片來源:InduSoft)

由於複雜的安裝過程會大大增加專案的工程開發時間,因此基於PC的開發環境應允許快速靈活地下載到嵌入式設備。使用IoTView附加的Remote Agent工具可以快速進行設計更改和更新,並提供遠端故障排除和測試工具。例如,將一個物件(按鈕、文本輸入或圖示)從螢幕上的一點移動到另一點只需幾秒鐘,而不是幾分鐘甚或幾小時。

測試和連接

在產品概念上,還需要從開發的視角和品質的角度進行測試。嵌入式項目是否可以在非嵌入式設備(如Windows PC)上進行測試和檢查?如果可以,那麼在將檔案發送到嵌入式設備之前,可以將模擬和邏輯測試在本地完成,從而縮短總體開發時間。

目標設備通常具有串列或乙太網路埠,或者可能具有無線連接選項(圖5)。如果嵌入式設備包含TCP/IP協定棧,那麼LAN、網際網路、無線數據機、蜂巢式網路甚至衛星連接可予以支援。

20180313NT01P5 圖5 嵌入式HMI軟體發展系統應針對目標平台的連接和下載支援各種通訊選項。(圖片來源:InduSoft)

嵌入式HMI的主要優點之一是能夠將資料直接發送到雲端,這是許多IIoT實現的必要條件。透過大多數嵌入式HMI軟體產品提供的內建工具,將資料發送到基於雲端的儲存系統(如SQL資料庫)、MQTT代理或亞馬遜(Amazon)等商業資料儲存公司的工作將大量簡化。

總結

具有嵌入式HMI的近邊緣設備可大幅簡化設備製造商提供高階本地或遠端操作介面顯示,以及與其他運算平台交換資料的過程。現成的軟體可用於配置嵌入式HMI應用,並將其下載到近邊緣目標設備。與客製化程式設計相比,這通常是實現本地顯示功能的更好選擇,並且還實現並保持了與其他運算平台的連結。