許多製造商已經為嵌入於其專用控制器、智慧閥、儀錶和其它近邊緣裝置(near-edge device)的控制與監測應用開發出優越的核心功能。這些智慧裝置通常連接到一個可編程邏輯控制器(PLC)或其它集中控制器以便於來回傳遞資料,而控制器則連接到基於PC的人機介面(HMI)。HMI是連接至更高層級運算平台——如SCADA系統、企業資料庫、ERP系統和工業物聯網(IIoT)的閘道,因為它擁有所需的乙太網路埠、協定支援、資料儲存和資料處理功能。

這些近邊緣裝置是內建智慧的,而這通常是製造商的核心智慧財產權(IP)。例如,溫度控制器可讀取溫度、執行PID迴路和監測鬧鈴設定點(圖1)。它通常透過序列埠以及諸如Modbus等簡單協定(或乙太網路)連接到集中控制器或HMI。

20161019 InduSoft TA31P1 圖1:近邊緣裝置——例如圖中這款溫度控制器,通常有足夠的機載運算資源可支援嵌入式HMI(來源:AutomationDirect)

功率計是近邊緣裝置的另一個例子,它透過電流和變壓器來偵測能量使用,並將該資料轉換成功率資訊,然後再傳送到集中控制器或HMI。

隨著近邊緣裝置的智慧提升,並不一定都需要集中控制器和HMI才能連接到更高層級的運算系統和IIoT。這些近邊緣裝置在其嵌入式平台作業系統(如Linux或VxWorks)中,已經可以處理所需的即時控制和監測功能了。

然而,在這些裝置中多半都欠缺如何繞過集中控制器和HMI,直接由更高層級運算平台和IIoT取得資訊的辦法。為了實現這種先進的連接能力,通常可在近邊緣裝置(圖2)中直接嵌入資料收集和相關功能。

20161019 InduSoft TA31P2 圖2:為近邊緣硬體裝置添加嵌入式HMI,使其得以網際網路連接至廣的其他運算平台(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,近邊緣裝置可以利用其嵌入的HMI,在整個機器的範圍內取代基於PC的HMI。在其它應用中,近邊緣裝置可以執行雙重連接功能:連接到集中控制器,以便交換即時控制資訊;以及直接連接到更高層級的運算平台,交換分析所需要(但非即時控制)的資料。

在任何一種情況下,主要優點都是在嵌入式HMI中內建軟體驅動程式。近邊緣裝置製造商不必再為市場上數百種集中控制器、基於PC的HMI和更高層級的運算平台創建並維護一款軟體驅動程式,而只需要簡單地將嵌入式HMI軟體載入其裝置中。近邊緣裝置製造商也無需編寫程式碼,即可打造在其裝置上顯示的圖形,因為嵌入式HMI可以透過簡單的配置步驟執行此功能。

對於近邊緣裝置製造商來說,因為軟體配置取代了自定義編碼,以及可將完成編譯的配置下載到裝置上,因而縮短了開發時間,也降低了開發成本。

如何在近邊緣裝置內嵌入HMI功能

近邊緣裝置不僅僅有能力履行其嵌入式控制和監控功能。當嵌入合適的搭配軟體時,這些裝置還可提供資料收集、資料儲存、連接到更高層級的運算平台,以產生板載的嵌入式HMI。相較於基於PC的HMI或基於專用平台的HMI,由於均有整的顯示器,操作員可透過以下兩種方式與此類嵌入式HMI互動:

  • 透過完整的顯示器,提供近邊緣裝置所擁有的顯示器
  • 透過連接至該近邊緣裝置的更高層級運算平台

在大多數情況下,近邊緣裝置將保留與集中控制器來回傳遞資料的能力。但藉由嵌入式HMI,它也可以直接將資料傳送到更高層級的運算平台和IIoT——傳統上這是基於PC的HMI任務。

由於處理器的性能與記憶體晶片的進展,近邊緣裝置中可用的運算資源也日益增加,為近邊緣裝置添加嵌入HMI能力的主要挑戰在於軟體開發。自定義編碼當然可以添加所需的功能,但這只於年銷售量很高的裝置,因軟體的開發、測試和維護所費不貲。

自定義編碼的另一個問題是必須編寫能與市場上種類繁多的集中控制器、HMI以及各種高階運算系統進行通訊的驅動程式。還有就是必須維持這些軟體驅動程式相容於與其連接的控制器、HMI和上層運算系統的每一種韌體版本。

大多數近邊緣裝置製造商對該問題的回應是:透過其序列與乙太網路埠,只支援某些通訊協定。這簡化了他們的編碼和維護要求,但限制了產品的應用。

許多近邊緣裝置只具有非常基本的操作員介面功能,不過,裝置的顯示器通常功能更多。問題出在創建這些複雜的顯示功能需要自定義編碼。

解決該問題的另一種方法是使用現成的軟體(如InduSoft的IoTView或其它類似產品),以便添加所需的嵌入式HMI功能。相較於自定義編碼,這些基於PC的軟體開發環境提供更像是一種‘插入即用’的解決方案,從而縮短了上市時間以及降低開發成本。這些解決方案通常還包括數百個連接到集中式控制器和HMI以及更高層級運算系統的驅動程式。嵌入式HMI方案中也內建非常強大的圖形配置功能以及豐富的物件程式庫。

嵌入式HMI軟體必須十分精巧且能執行於多種作業系統,使其得以下載到多種近邊緣裝置上並加以執行。假設所選擇的產品具有這些功能,以上將介紹如何將它添加到近邊緣裝置上。表中所示是IoTView的實施細節,但類似產品的許多步驟是相同的。

20161019 InduSoft TA31T1 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,打造嵌入式HMI應用程式的平台是基於PC的開發環境。在建立一項專案時,開發人員必須知道或決定近邊緣處理器的類型(ARM、X86等)和作業系統(Windows Embedded、Linux和VxWorks等)。這將使開發人員選擇合適工具和編譯器。就InduSoft的IoTView來看,在下載到目標近邊緣裝置後才需要進行編譯,因此一直到下載步驟以前,該專案都無需依賴平台。

為本地或遠端查看配置圖形時,必須考慮到使用者。能否創建包含所需資訊且友善的理想使用者介面,最終將決定整個產品的成敗,因這是用戶第一眼看到的,也是與裝置互動的重點。

資料過多或太少都是問題,所以重要的是著重於區分資訊的重要程度,哪些是瞥一眼就行、哪些要仔細研究等。顯示內容取決於裝置用於查看什麼資料以及什麼樣的資訊對使用者是重要的。圖形設計應遵循通用的使用者介面做法,如圖3所示。

20161019 InduSoft TA31P3 圖3:在近邊緣裝置上配置本地顯示或在其它地方配置遠端顯示,對任何嵌入式HMI建置來說都是不可或缺的重要一步(來源:InduSoft)

透過Modbus/TCP或EtherNet/IP實現從嵌入式裝置到其它平台(諸如SCADA系統)所需的通訊,應該在專案的早期儘快決定。重要的是仔細地定義嵌入式HMI將提供的資料、將會需要哪些變數,以及這些變數將被儲存的位址。保持位址的連續性以及短的變數名稱(標記名稱),可提高通訊效率(圖4)。

20161019 InduSoft TA31P4 圖4:配置近邊緣裝置和其它運算系統之間的連接,應該將簡便易用牢記在心,以提高通訊效率(來源:InduSoft)

基於PC的開發環境,必須可為嵌入式裝置實現快速和靈活的下載,因為複雜的安裝過程可能顯著延長專案的工程開發時間。使用附帶IoTView的Remote Agent(遠端代理)工具,可以快速更改設計和更新,並提供遠端故障診斷和測試工具。例如,只需要幾秒鐘就可將螢幕上的物件(按鈕、文本輸入或圖示)從一處移動到另一處,而無需耗費幾分鐘甚至幾小時。

測試和連接

在產品概念成形階段,也必須從開發和品質的角度考慮測試問題。可在諸如Windows PC等非嵌入式裝置上測試和驗證該嵌入式專案嗎?如果可以,在將檔案下載到嵌入式裝置以前,可以先在本地進行模擬和邏輯測試,從而縮短總開發時間。

目標裝置通常帶有一個序列或乙太網路埠,或者可能還有一個無線連接選項(圖5)。如果嵌入式裝置包括TCP/IP堆疊,甚至可支援區域網路(LAN)、網際網路、無線數據機、蜂巢式或甚至是衛星連線。

20161019 InduSoft TA31P5 圖5:嵌入式HMI軟體開發系統應該支援多種通訊選項,以連接並下載到目標平台(來源:InduSoft)

嵌入式HMI的主要優點之一是直接將資料發送到雲端的能力,這對許多IIoT建置來說是必要的。由於大多數嵌入式HMI軟體產品提供內建工具,可大幅簡化將資料傳送到基於雲端的儲存系統,如SQL資料庫、MQTT代理或商業資料儲存公司(如Amazon)的工作。

結語

對於裝置製造商來說,內建嵌入式HMI的近邊緣裝置可使其易於提供先進的本地或遠端操作員介面顯示,以及與其它運算平台交換資料。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裝置。對於實現本地顯示功能以及同時保持與其它運算平台的連接而言,這通常是比自定義編碼更好的選擇。