تصميم لوحة التحكم HMI وأفضل الممارسات

نظرة عامة: ما الذي تفعله لوحة تحكم HMI فعليًا

لوحة التحكم في واجهة الإنسان والآلة (HMI) هي الجزء المواجه للمشغل من النظام الآلي المستخدم لمراقبة الآلات الصناعية والتحكم فيها وتشخيصها. ومن الناحية العملية، فهو يدمج التصور (الشاشات/مصابيح LED)، ومدخلات التحكم (الأزرار، والمفاتيح، واللمس)، والاتصالات (Ethernet، وfieldbus)، وأقفال السلامة في خزانة واحدة أو وحدة تحكم للمشغل يمكن صيانتها. تركز هذه المقالة على خيارات التصميم القابلة للتنفيذ — اختيار المكونات، والأسلاك والتأريض، وتخطيط الشاشة، والتكامل مع PLCs/محركات الأقراص، وخطوات استكشاف الأخطاء وإصلاحها في العالم الحقيقي.

المكونات الرئيسية ومعايير الاختيار العملية

لا يتعلق اختيار المكونات بالعلامة التجارية بقدر ما يتعلق بمطابقة المتطلبات الكهربائية والبيئية. بالنسبة لكل مكون أدناه، قم بتضمين جهد التشغيل وتصنيف حماية الدخول (IP) وبروتوكول الاتصال وMTBF عند مقارنة البدائل.

الأجهزة الأساسية وما يجب التحقق منه

شاشة HMI: تحقق من حجم الشاشة لكثافة المعلومات المطلوبة، وسطوع الشاشة (قرص / متر مربع) للضوء المحيط، ونوع اللمس (مقاوم مقابل سعوي)، وعمق التركيب.
PLC/وحدة التحكم: تأكد من وجود عدد كافٍ من وحدات الإدخال/الإخراج والسعة الاحتياطية (يوصى بـ 20-30% من وحدات الإدخال/الإخراج الاحتياطية)، وتوافق وقت الدورة مع حلقات التحكم، ودعم البروتوكول الأصلي لواجهة HMI.
أجهزة الإدخال: أزرار الضغط الصناعية، ومفاتيح التحديد، والتوقف الإلكتروني المقدر لجهد النظام والمتانة الميكانيكية المناسبة (تصنيف الدورات).
وحدات الاتصال: تفضل Ethernet/IP أو PROFINET عندما يكون النطاق الترددي العالي مطلوبًا؛ استخدم RS-485/Modbus RTU للمسافات الطويلة أو سيناريوهات التحديث.
مصادر الطاقة ووحدات UPS: اختر مصدر طاقة DIN-rail بحجم مناسب لتيارات التدفق القصوى ووحدات UPS صغيرة لإيقاف تشغيل HMI بشكل آمن أو الإنذارات الحرجة.

تصميم شاشات HMI الفعالة: سلامة الاستخدام

تعمل الشاشات المصممة جيدًا على تقليل أخطاء المشغل وسرعة الاستجابة. ركز على التسلسل الهرمي الواضح واستخدام الألوان للحالة فقط (تجنب الألوان الزخرفية) والتنقل المتوقع. يجب أن تعرض كل شاشة فقط المعلومات المطلوبة لمهمة المشغل - الإنذارات ونقاط الضبط الحرجة والإجراءات الفورية - مع سهولة الوصول إلى التشخيص.

قواعد التخطيط والتفاعل

منطقة الحالة الأساسية: ضع القيم الحرجة (درجات الحرارة، الضغوط، الحالات الحركية) في الربع العلوي الأيسر - أسرع منطقة يمكن للعين العثور عليها.
التعامل مع الإنذارات: استخدم قائمة إنذارات واحدة تحتوي على طوابع زمنية وفرز الخطورة والإقرار بنقرة واحدة؛ لا تعتمد فقط على العناصر المرئية الوامضة، بل قم بتضمين ملاحظات مسموعة قابلة للتكوين حسب الخطورة.
أنماط التأكيد: تتطلب تأكيدات من خطوتين للتغييرات المهمة في نقطة الضبط وتتضمن إدخال سجل تدقيق للمشغل والوقت والقيمة السابقة.

أفضل ممارسات الأسلاك والتأريض وتخطيط الخزانة

تعمل الأسلاك والتأريض الصحيحان على منع الضوضاء والأخطاء المتقطعة وأخطاء ناقل المجال. استخدم توجيهًا منفصلاً لكابلات الطاقة والإشارة، وحافظ على مسافات الزحف المطلوبة، وقم بوضع الحماية من زيادة التيار بالقرب من نقاط الدخول. توفر خطة الأسلاك الواضحة ساعات أثناء التشغيل والصيانة.

قائمة مرجعية عملية للأسلاك

قم بفصل أنابيب التيار المتردد وطاقة التيار المستمر وكابلات الإشارة ذات الجهد المنخفض في قنوات كبلات منفصلة مع أقسام معدنية مؤرضة حيثما أمكن ذلك.
استخدم الزوج الملتوي المحمي للإشارات التفاضلية؛ قم بإنهاء الدروع بأرضية الخزانة من طرف واحد فقط (قد تختلف إرشادات الشركة المصنعة).
التأريض: قم بتوصيل جميع المعدات الأرضية بقضيب أرضي ذو نقطة واحدة؛ التحقق من مسار المعاوقة المنخفضة وتوثيق قراءات المقاومة للأرض.

التكامل مع PLCs ومحركات الأقراص والشبكات

غالبًا ما يكون التكامل هو الجزء الأطول من المشروع. قم بتعيين العلامات مبكرًا، وتوحيد اصطلاحات التسمية، وتأمين معدلات البيانات لتجنب تشبع HMI بنقاط عابرة سريعة. اختبار مرونة الشبكة من خلال عمليات إعادة تشغيل PLC المخطط لها ومحاكاة زمن استجابة الشبكة.

استراتيجية العلامة والبيانات

استخدم تسمية العلامات المنظمة: Area_Machine_DevicePoint لتجنب الاصطدامات وتبسيط التشخيص.
تقليل استقصاء الإشارات عالية التردد إلى HMI؛ اسمح لـ PLC بالتعامل مع حلقات التحكم ودفع القيم الملخصة فقط إلى الشاشة.

السلامة والمعايير والاعتبارات التنظيمية

يجب أن تتوافق لوحات التحكم HMI مع المعايير المحلية والدولية المعمول بها: المعايير الكهربائية (IEC/UL)، والسلامة الوظيفية (IEC 61508/ISO 13849) الخاصة بالسلامة PLCs والتوقف الإلكتروني، ومعايير التوافق الكهرومغناطيسي (EMC). قم بتوثيق أدوار السلامة ومستويات SIL/PLe المطلوبة والتغطية التشخيصية في وقت مبكر من التصميم.

استكشاف الأخطاء وإصلاحها والتشخيص والصيانة الوقائية

يؤدي التصميم في نقاط التشخيص وروتين الصيانة إلى تقليل وقت التوقف عن العمل. قم بتضمين إجراءات الاختبار الذاتي ورموز الأخطاء الواضحة وإجراءات الاسترداد خطوة بخطوة التي يمكن الوصول إليها على واجهة HMI.

الأخطاء الشائعة وكيفية عزلها

انقطاع الاتصالات: تحقق من الارتباط الفعلي أولاً (مصابيح LED، واستمرارية الكابل)، ثم تكوين الشبكة (تعارضات IP، وتبديل شبكات VLAN)، ثم حالة PLC.
استجابة اللمس المتقطعة: تحقق من البرامج الثابتة لوحدة التحكم باللمس، وافحص الطاقة المزعجة أو مصادر EMI، واختبرها باستخدام أداة إدخال تمت معايرتها.
الشاشات المجمدة: التأكد من وجود هيئات المراقبة في كل من HMI وPLC؛ أضف إجراء إعادة التشغيل الناعم الذي يحافظ على البيانات المهمة ويسجل الحدث.

مقارنة مواصفات لوحة التحكم HMI

جدول مدمج لمقارنة خيارات بناء لوحة HMI النموذجية للاستخدام الصناعي الصغير والمتوسط والثقيل.

مميزة	صغير (مقعد / مختبر)	متوسطة (طابق المصنع)	ثقيل (قاس/خارجي)
شاشة نموذجية	7-10 بوصة سعوية	10-15 بوصة لمسة صناعية	15-21 بوصة ضوء الشمس قابل للقراءة
تصنيف IP	IP20	IP54 – IP65 (حشية اللوحة)	IP65-IP66
بالاتصالات	يو اس بي، مودبوس ار تي يو	إيثرنت/IP، مودبوس TCP	إيثرنت الصناعية، الخيار الخلوي
البيئية	0-40 درجة مئوية، في الأماكن المغلقة	-10-50 درجة مئوية، يتحمل الغبار	-40-70 درجة مئوية، مقاوم للاهتزاز