HMI mobili vs dispositivi fissi, con Keba tra le soluzioni di comando macchina

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Digitalizzazione e automazione dell’industria hanno cambiato radicalmente i requisiti per il comando delle macchine e, di conseguenza, anche le aspettative degli operatori. Keba propone quindi una panoramica delle soluzioni HMI oggi disponibili, sia mobili che fisse, mettendo in evidenza le principali differenze che distinguono le due tipologie.

Se in passato bastavano soluzioni stazionarie come tasti, interruttori e semplici display, situati direttamente sulle macchine, oggi sono richiesti monitor full HD con touchscreen e interfacce uomo-macchina (HMI) ad alte prestazioni basate su cloud. E così le macchine ora si possono usare più o meno come se fossero smartphone.

I dispositivi di interfaccia delle macchine e la loro visualizzazione si adattano sempre più alle abitudini d’utilizzo degli apparecchi di uso comune. Accanto alle ‘classiche’ interfacce uomo-macchina fisse, si stanno così affermando sempre più anche le HMI portatili, sia wireless sia cablate, che migliorano la user experience dell’utente. Allo stesso tempo, questi dispositivi di controllo mobili contribuiscono anche a un utilizzo più efficace e sicuro delle macchine e degli impianti industriali.

HMI fisse
In molti casi, l’HMI fissa è installata direttamente sulla macchina: un monitor o un pannello operatore (OP) è montato sulla macchina e collegato all’interfaccia grafica dell’unità di controllo, dove viene eseguita l’applicazione di visualizzazione. I pannelli operatore sono monitor privi di sistema operativo proprio. Questa tipologia di HMI è collegata direttamente al PC industriale che controlla i processi di produzione della macchina e, pertanto, è un’interfaccia utente pura e semplice. L’immissione dei dati avviene perlopiù tramite tasti o interruttori sulla consolle adiacente al display.

Pro e contro delle interfacce fisse
Uno degli svantaggi della soluzione con monitor fisso è che sia l’applicazione di controllo che l’applicazione di visualizzazione devono essere eseguite in parallelo sulla stessa CPU. Nel caso in cui una macchina debba essere programmata con controlli ciclici, le stesse operazioni vengono eseguite a intervalli di millisecondi con un conseguente carico elevato sulla CPU (fino all’80%). Al contrario, l’applicazione di visualizzazione funziona sempre in modalità idle (solo visualizzazione, senza interazione) e richiede meno risorse della CPU (circa il 10%). Una soluzione HMI fissa di questo tipo risulta più complessa a livello software, ma comporta costi di produzione più contenuti per l’hardware.

Tuttavia, le crescenti aspettative degli operatori delle macchine nei confronti di un sistema ‘responsive’ (ovvero reattivo) simile a quello degli smartphone, comportano un notevole utilizzo di risorse computazionali per gestire, ad esempio, interazioni come il cambio operatore o il cambio pagina. Di conseguenza, gli operatori percepiscono l’uso del sistema di controllo come ‘lento’ e le prestazioni della macchina come ‘scadenti’. Questo perché l’applicazione PLC di livello superiore utilizza la gran parte delle risorse della CPU per garantire il rispetto dei requisiti real time della macchina.

La user experience nel comando delle macchine è un tema di grande importanza. Molte aziende si trovano ad affrontare gli stessi problemi: difficoltà nel reperire personale qualificato, elevati tassi di turnover nel settore industriale e scarsa disponibilità di tempo per la formazione. La semplicità e la standardizzazione dell’interfaccia utente sono fattori essenziali per gli impianti di produzione moderni. Per queste ragioni le soluzioni con pannello operatore vengono sempre più sostituite da soluzioni con pannello attivo. Queste ultime offrono risorse locali dedicate all’interfaccia di controllo e futura espandibilità a nuove funzioni di user experience (UX design). Un HMI innovativo è una delle migliori strategie per rafforzare l’immagine aziendale

L’active panel (AP) è un display multi-touch dotato di un sistema operativo (Windows 10) e funzionalità da PC industriale (IPC). La conseguente separazione delle performance dedicate al controllo, dalle performance dedicate alla visualizzazione, consente di avere una HMI più potente e un controllo real time. Questa architettura è la stessa utilizzata nelle HMI mobili.

Una delle grandi sfide associate al pannello attivo consiste nel sostituire i tradizionali tasti e interruttori facendo in modo che l’operatore possa replicare queste funzionalità sul touch display senza distogliere l’attenzione da ciò che avviene sulla macchina. Per risolvere questo problema oggi si ricorre sempre più spesso alla tecnologia force feedback. Con il force feedback i tasti vengono attivati solo quando l’utente applica una certa pressione (force) sulla zona del touch screen in cui è posizionato il comando. Inoltre l’utente riceve un riscontro (feedback) che conferma l’esecuzione del comando.

HMI mobili
Con la progressiva riduzione delle dimensioni delle macchine e la crescente modularizzazione, lo spazio per collocare un HMI fisso è sempre minore. Allo stesso tempo, aumentano le applicazioni di controllo e si aggiungono nuove funzioni. Questa evoluzione favorisce chiaramente le soluzioni HMI mobili perché:

1. Semplicemente non c’è spazio per montare una soluzione fissa (ad esempio per il controllo di robot)
2. In alcuni casi l’operatore deve portare con sé l’HMI per poter osservare direttamente il processo e stazionare nella zona operativa della macchina. In questo caso l’operatore potrebbe trovarsi nella zona di pericolo, rendendo necessari il fungo d’emergenza e il pulsante di consenso (pulsante uomo morto).
3. Molte macchine hanno più punti di comando e richiedono interfacce operative anche nelle postazioni di controllo secondarie. In questo caso sono più convenienti le soluzioni mobili poiché possono essere facilmente trasportate e collegate altrove.

Per le macchine ancora più piccole, come ad esempio i bracci robotizzati che non hanno un corpo macchina proprio, sono invece necessari dispositivi di controllo ancora più flessibili. In questo contesto si sono affermate le HMI mobili, per lo più cablate, che permettono un controllo a 360°, richiesto soprattutto per il teach-in dei robot.

Anche le soluzioni HMI senza fili, collegabili tramite Wi-Fi o Bluetooth, sono sempre più utilizzate poiché offrono agli operatori il massimo di libertà di movimento e di flessibilità. Se una HMI wireless non è associata a una macchina specifica, può essere utilizzata come una sorta di unità di visualizzazione della linea o del controllo centrale. Senza fili, l’operatore può facilmente trasportare l’apparecchio portandolo, ad esempio, presso la propria postazione di lavoro per le impostazioni preliminari e, successivamente, una volta accoppiato, può utilizzarlo direttamente sulla macchina collegata.

Pro e contro delle HMI mobili e relative soluzioni
Il principale svantaggio delle HMI mobili, soprattutto di quelle wireless, consiste nel fatto che l’operatore può allontanarsi molto dalla macchina e non sapere esattamente a quale macchina l’HMI è associata. Ciò costituisce un problema per la sicurezza, poiché in caso di errore l’HMI deve essere in grado di arrestare o disattivare la macchina (arresto d’emergenza o pulsante di consenso). Inoltre, le unità di comando mobili senza fili devono anche poter essere recuperate se l’operatore le lascia o le dimentica in un altro luogo.

Per rendere più sicuri i dispositivi wireless di comando si utilizzano, ad esempio, tecnologie di monitoraggio dell’area operativa. Con un sistema di monitoraggio dell’area è possibile impedire che azioni potenzialmente pericolose vengano eseguite dall’operatore sulla macchina al di fuori dell’area operativa designata. Se l’operatore si allontana dal raggio di accoppiamento predefinito, determinati segnali tattili e visivi (ad esempio vibrazione del dispositivo di comando  e luce pulsante dell’illuminazione del fungo di emergenza) lo avvertono per evitare errori e incidenti.

Conclusioni: HMI mobile o fissa: quale sistema di controllo è più indicato e per quali applicazioni?
La scelta di una HMI mobile o fissa dipende unicamente dal caso d’uso specifico: durante la messa in servizio o la configurazione di una macchina, gli operatori si spostano spesso intorno ad essa per esaminare i dettagli, pertanto per queste operazioni i dispositivi mobili sono particolarmente indicati. Quando la macchina è in funzione e l’operatore lavora principalmente in modalità di controllo e osservazione, è quindi preferibile una soluzione fissa, soprattutto per motivi di sicurezza ed esigenze di processo. In questo scenario, anche le HMI mobili possono essere posizionate in un punto specifico della macchina di modo che anche gli operatori che si alternano al lavoro possano accedervi facilmente.

Ci sono molti casi in cui la combinazione di HMI fisse e mobili rappresenta una valida soluzione, specialmente quando la produzione è integrata attraverso l’impiego di singoli moduli, come robot o nastri trasportatori. Tuttavia, in una visione a lungo temine, un’integrazione delle apparecchiature di questo tipo porterà anche a un’ulteriore riduzione del numero di dispositivi HMI, con la possibilità di eseguire tutte le operazioni di controllo utilizzando un unico dispositivo mobile e senza fili.

Con le soluzioni HMI wireless si apre anche una nuova dimensione nel controllo delle macchine: la gestione, il monitoraggio e l’analisi dei processi possono spostarsi con l’operatore in modo flessibile nelle immediate vicinanze delle stazioni della macchina da controllare. Tuttavia, ciò richiede lo sviluppo di soluzioni che consentano un passaggio sicuro tra le operazioni di comando delle singole macchine e la supervisione dell’intera produzione.

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