1.11 – Le interfacce operatore

Il dialogo tra uomo e macchina richiede particolare attenzione, sia in termini di sicurezza sia in termini di gestione e manutenzione di impianto. Nel corso degli ultimi decenni, i meccanismi di visualizzazione industriale sono cambiati profondamente. Nei primi impianti industriali, oltre agli indicatori e ai segnalatori a bordo macchina o bordo quadro, venivano usati diagrammi P&I (Piping & Instrumentation Drawing) e quadri sinottici con il compito di rappresentare la situazione “reale” degli impianti controllati. Di solito il quadro sinottico riporta uno schema funzionale, derivato dal P&I dell’impianto da monitorare, comprensivo del blocco allarmi, oltre a un serie di elementi fissi e animati (valvole, comandi, regolazioni, misure, segnalatori, registratori ecc.).

Dagli anni ’80 del ventesimo secolo sono entrati prepotentemente in scena le prima interfacce operatore MMI (Man Machine Interface) o HMI (Human Machine Interface) con sistemi operativi proprietari e configurazione rigide. Negli anni ‘90 la diffusione di sistemi operativi real-time, di architetture come x86 e della piattaforma Windows hanno reso i sistemi HMI più aperti e flessibili.
In ambito industriale il termine HMI si riferisce a sistemi e tecnologie di varia natura, dai più semplici terminali alfanumerici fino ai Personal Computer dedicati. D’altra parte la possibilità di visualizzare in tempo reale messaggi diagnostici, allarmi o istruzioni per l’operatore e, al contempo, modificare i parametri operativi in modo semplice e diretto, è un’esigenza trasversale a tutte le applicazioni.
Associato al concetto di HMI vi è quello di usabilità che secondo la Norma ISO 9241-11 viene definito in termini di efficacia, efficienza e soddisfazione con cui gli utenti eseguono compiti mediante sistemi interattivi.
Allo stesso tempo le interfacce uomo-macchina devono rispondere a criteri ergonomici e di design avanzato.
Il termine HMI è anche correlato alla parte di presentazione dati di un’applicazione Scada (Supervisory Control And Data Acquisition) attraverso pagine sinottiche videografiche. In tale contesto si parla di HMI/Scada.

Pulsanti, relè di sicurezza, comandi di emergenza, segnalatori sono componenti fondamentali per garantire adeguati livelli di sicurezza e protezione per l’uomo, le macchine e gli impianti. Per regolamentare tali necessità esistono varie leggi e severe normative, tra cui la norma internazionale EN ISO 13850 e la rinnovata direttiva macchine 2006/42/CE.
A bordo macchina e negli impianti in genere, le interfacce di comando e segnalazione, sovrintendono sia al funzionamento in condizioni normali, sia a quello in condizioni di emergenza.

Nella scelta delle soluzioni di interfaccia il costruttore, il progettista, l’installatore e l’utente devono concorrere a mettere in campo precise misure di intervento: eliminare o ridurre al minimo i rischi, adottare misure di protezione per i rischi non eliminabili, ricorrere a programmi di formazione e dispositivi di sicurezza e protezione individuali (DPI).
Peraltro, in tutte le fasi di gestione delle macchine industriali (costruzione, installazione, funzionamento, manutenzione, revamping, dismissione) deve essere implementata quella che in termini specialistici è chiamata “funzione di emergenza”. Questa riveste un aspetto basilare non solo in relazione alle singole macchine, ma per interi processi industriali costituiti da più macchine o linee integrate tra loro.

Pannelli operatore
I pannelli operatore sono apparecchiature in grado di visualizzare gli stati di funzionamento, i valori di processo istantanei e le anomalie rilevate dai controllori a cui sono collegati. Rappresentano il livello base di diagnostica e monitoraggio. I pannelli operatore permettono anche l’impostazione di soglie, set-point e la scrittura di variabili e parametri nei controllori.
Negli ultimi anni le prestazioni e le caratteristiche dei pannelli operatore si sono avvicinate progressivamente a quelle dei PC industriali e dei Panel PC.
Sempre più i pannelli operatore offrono configurazioni specializzate a seconda del campo di impiego. Esistono modelli progettati espressamente per la domotica, la nautica, l’industria alimentare (FDA 21 CFR 177.2006, DIN EN 1672-2), il controllo di temperatura, le applicazioni safety (ATEX, DIN 42115, IEC 61508, IEC 61511, UNI EN ISO 11111), wireless e mobile.
I pannelli operatore più compatti (con display inferiori ai 5” o 6”) si rivolgono principalmente al mercato dei costruttori di macchine di piccola e media taglia per applicazioni nei settori della stampa, del tessile, dell’imballaggio, della plastica, del legno e nei sistemi HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning).
Un ulteriore livello di specializzazione è rappresentato dagli apparati ibridi, ovvero da terminali con PLC e I/O integrati. Per offrire il massimo della flessibilità e di monitoraggio in situ si sono diffusi sistemi mobili, facilmente trasportabili e collegabili con velocità e precisione in differenti punti della macchina da controllare.
I sistemi operativi adottati dai pannelli operatori possono appartenere alla famiglia dei sistemi operativi Windows Embedded come Windows CE e Windows XP Embedded.
Talvolta vengono usate anche soluzioni open-source oppure sistemi embedded proprietari, i quali, sfruttando risorse hardware limitate, raggiungono elevate prestazioni real-time e un alto grado di specializzazione. Quanto ai sistemi di programmazione, i pannelli operatore si giovano solitamente di software grafici che comprendono una libreria di oggetti multi-layer, un editor di progettazione delle pagine interattive e una base dati condivisa con le unità di controllo.

PC industriali e panel PC
L’innovazione, la qualità e i servizi offerti ai clienti sono fondamentali in gran parte dei segmenti di mercato. Ciò vale, a maggior ragione, per i PC industriali in quanto presenti in tutta la catena industriale, dalla supervisione di impianto alle stazioni uomo macchina (HMI), dai nodi di controllo distribuito su LAN ai sistemi di automazione dei processi produttivi.
Dei PC office quelli industriali conservano l’architettura hardware e le tipiche doti friendly: semplicità di utilizzo, scalabilità dei progetti, integrazione immediata. Al contrario si differenziano, rispetto al mercato consumer, nei servizi ad alto valore aggiunto erogati dai maggiori vendor: disponibilità a lungo termine di tutti i componenti, rilascio periodico di aggiornamenti software (patch, driver, DLL, utility, framework e altri componenti), revisione della documentazione, supporto qualificato.

Costruttivamente, i PC industriali devono mostrare resistenza assoluta a condizioni estreme, come ad esempio forti oscillazioni di temperatura, sollecitazioni meccaniche (urti o vibrazioni), impermeabilità a liquidi di varia natura, immunità ai disturbi elettromagnetici, ma anche sicurezza da accessi indesiderati, comportamento predicibile e real-time, bassi consumi.
Dai formati di installazione (rack, wallmount, guida DIN, tablet, node chassis, notebook, desktop, box, scheda, braccio meccanico ecc) all’integrazione con altro hardware (controllori, I/O, UPS), il panorama è quanto mai vario.
Una delle esigenze più sentite, comune a produttori e utenti, è quella di ridurre la presenza di parti soggette a guasti e usura. La mancanza di disco rigido (versioni diskless) e ventilatore (versioni fanless) aumenta la resistenza alle vibrazioni e agli urti e rende gli IPC service-friendly, quasi esenti da manutenzione.

Una convergenza di massima si registra nelle tecnologie di visualizzazione. È ormai generalizzato l’uso di terminali TFT, touchscreen, LCD di vario tipo (resistivi, capacitivi, a onde acustiche, all’infrarosso ecc), con doti grafiche e di durata sempre più evolute. Un’altra tendenza di massima è quella di scegliere monitor sempre più grandi e luminosi. Sussistono infatti formati più piccoli (da 5” a 11”) per applicazioni a bordo macchina o da incasso in spazi ridotti.
Tra le tante opzioni dei PC industriali, tuttavia, i Panel PC sono largamente preferiti. Anzitutto offrono una protezione delle parti sensibili grazie all’integrazione facilitata del PC dietro un pannello. I Panel PC sono poi progettati per essere installati secondo varie modalità di esecuzione: consolle di comando, armadi rack, quadri con braccio meccanico. Possono essere privi di coperchio posteriore (open frame) e di pannello frontale (integrabile a bordo macchina), oppure dotati di una struttura chiusa senza alcun vincolo. La flessibilità di configurazione è esaltata dalle dimensioni contenute (spessori di pochi millimetri) e da guide o telai di montaggio concepiti per l’installazione negli armadi rack da 19”.
L’importanza degli Scada
L’introduzione del termine Scada risale agli anni ‘60 nell’industria di processo. Sistemi Scada (Supervisory Control And Data Acquisition) su grande scala venivano sviluppati con tecnologie hardware (workstation e sistemi di controllo distribuiti) e software. A partire dagli anni ’80, nei sistemi di controllo industriali, per Scada si intende una piattaforma informatica, ovvero un software di supervisione, acquisizione dati, controllo e calcolo installato su PC (di tipo office, industriale, embedded) e dispositivi portatili (PDA, tablet, smartphone).

Uno Scada funziona su diversi tipi di LAN (Local Area Network) e WAN (Wide Area Network) che collegano processori e RTU (Remote Terminal Unit), mettendo in comunicazione i dispositivi locali di uno stabilimento fino alla copertura di grandi aree.
Gli Scada sono impiegati nelle più svariate realizzazioni: comunicazioni satellitari, servizi energetici, trasporto e trasformazione di combustibili e gas, telecontrolli, produzione elettronica, movimentazione dei materiali, industria alimentare, chimica, farmaceutica, sistemi di trasporto, industria dell’acqua, monitoraggio edifici ecc.

Un sistema Scada comprende una rete di comunicazione, un livello HMI (Human Machine Interface), un RTDB (Real Time Data Base, autentico motore del software), una serie di moduli di gestione allarmi e analisi storica dei dati.
Negli ultimi anni la tecnologia Scada ha visto l’affermarsi l’apertura verso altri sistemi con l’impiego di standard certificati e internazionalmente riconosciuti (OPC, ODBC, XML, SQL, SOAP, 21 CFR Part11 ecc.), la programmazione a oggetti, le tecniche web oriented e softPLC; il tutto con una forte attenzione ai temi del supporto tecnico, della security e della connettività. I moduli di soft logic / Iec 61131 possono implementare logiche di automazione di solito svolte da PLC a costi inferiori.

Un’altra possibilità legata alle funzioni di controllo è rappresentata dai sistemi esperti, cui sono affidati il compito di reagire al cambiamento delle variabili di controllo e di quelle controllate, suggerendo all’utenza una serie di operazioni alternative a seguito di determinati eventi.
Oggi però parlare di Scada in senso stretto può essere riduttivo. Nel contesto HMI e Scada si assiste al cosiddetto fenomeno della convergenza digitale. Nell’HMI industriale crescono infatti dispositivi e applicazioni più potenti e flessibili, in grado di garantire remotazione degli accessi, multicanalità, mobilità, personalizzazione e adattività. Alla base di queste funzionalità vi sono standard e linguaggi informatici come HTML, XML, SVG, XML Flash, ActiveX, Curl ecc. A queste si affiancano nuove tecnologie di grafica vettoriale, architetture basate su IP e multilivello.

Alla raccolta dati locale deve essere affiancata l’integrazione degli stessi a livello di supervisione con dati provenienti da macchine e da sistemi di fornitori differenti.

La pianificazione delle attività di produzione, la movimentazione di materiali, la miscelazione dei lotti, l’allocazione delle risorse, la gestione degli ordini, la sincronizzazione e il coordinamento di processi, la gestione delle attività di manutenzione e l’integrazione tra sistemi diversi sono processi in buona parte garantiti dall’apertura e dall’interoperabilità tra piattaforme diverse: ERP (Enterprise Resource Planning), CRM (Customer Relationship Management), SCM (Supply Chain Management), MRP (Manufacturing Resource Planning), PLM (Product Lifecycle Management), Mes (Manufacturing Execution System) e altri sistemi logistici, gestionali e manutentivi. Tali integrazione si fonda sulle tecnologie informatiche citate in precedenza e altre web/service oriented.
Si noti che i sistemi Scada/Mes consentono di sviluppare applicazioni per il calcolo dell’efficienza delle macchine (OEE, Overall Equipment Effectiveness), l’analisi dei fermi macchina, la tracciabilità di lotti e dei singoli prodotti, il calcolo degli indicatori di efficienza aziendale (KPI, Key Performance Indicator) e di efficienza energetica.
L’evoluzione dell’HMI
Negli ultimi anni l’HMI ha visto crescere la convergenza verso tecnologie IT come il cloud computing e la virtualizzazione, oltre che verso sistemi embedded, multitouch e PLC-HMI integrati, con il conseguente aumento dei livelli di flessibilità e personalizzazione, alla ricerca di un continuo compromesso tra funzionalità e prestazioni.
L’evoluzione dei sistemi HMI coinvolge la questione di accesso remoto ai dati delle macchine in termini di mobilità. Si parla anche di industrial mobile computing, cioè di tecnologie basate su PC industriali e sistemi di comunicazione il cui funzionamento è svincolato sulla posizione fisica dell’utente e delle apparecchiature coinvolte. La tecnologia
dei sistemi mobili enfatizza l’uso di apparati in movimento e in ambienti sfavorevoli, grazie a doti di robustezza appositamente studiate per il contesto industriale.
Alla base della mobilità HMI stanno le tecnologie wireless, in particolare quelle di tipo wireless LAN. L’interfaccia utente, ad esempio di tipo smartphone o tablet, prevede la possibilità di un dialogo continuo con il sistema di controllo, in modo che non vi siano interruzioni nel controlli della macchina. La completa mobilità in ambiente wireless LAN presuppone inoltre il riconoscimento dei punti di accesso e la gestione delle comunicazioni di rete.
È dunque molto ampia la gamma della connettività di tablet e smartphone usati per il controllo macchine e comprende interfacce di tipo USB, HDMI, Bluetooth, Wi-Fi, RFid.Un’ulteriore evoluzione del concetto di mobilità sono le App che estendono il concetto di supervisione agli apparati mobili. L’utilizzo delle App nell’industria si trova in fase embrionale, ma in prospettiva può raggiungere gli stessi margini di utilizzo ricoperti ora da PC industriali, Panel PC e pannelli operatore.
L’ultima generazione di dispositivi mobili e palmari rende ancora più facile per gli operatori e i tecnici la raccolta di dati. In certa misura l’uso di tablet, smartphone e relative app a livello produttivo è la naturale conseguenza della diffusione delle tecnologie Ethernet e wireless in campo industriale.