Pannello operatore HMI

Il pannello operatore HMI (Human Machine Interface) è un dispositivo di interfaccia grafica tra PLC e operatore utilizzato sia per visualizzare informazioni sul processo che per intervenire su di esso. Il pannello non è un monitor del PLC ma un dispositivo indipendente, dotato di una propria CPU, che comunica col PLC con un BUS (Profinet). Esternamente si presenta come un display touchscreen LCD che visualizza informazioni su un processo e permette di intervenire su di esso. Questo tipo di interfaccia è semplice e intuitiva da utilizzare: il programmatore realizza delle pagine/videate navigabili con un menu, inserendo comandi virtuali (bottoni, selettori, manopole, slider, ecc.) e visualizzando informazioni con strumenti virtuali (display, scale graduate, messaggi di testo, spie, ecc.) facilitano il comando e la supervisione del processo per l'operatore.

Il progettista usa un software dedicato per disegnare l'interfaccia grafica (pagine e menu) raggruppando, organizzando e presentando le informazioni nella maniera più opportuna. Il software dispone di un editor per realizzare le pagine che mette a disposizione varie tipologie di widget (elementi grafici) per la visualizzazione e il controllo del processo.

Il due modelli KTP700 Basic in dotazione al laboratorio hanno le seguenti caratteristiche:

• display touchscreen da 7 pollici (800×480)
• 8 tasti fisici programmabili
• segnalatore acustico
• alimentazione 24V DC (5W)
• interfaccia ProfiNet (Ethernet) e USB
• protezione IP65 sul lato fronte

Per utilizzare il pannello occorre:

• alimentarlo con l'apposito connettore (anche dal PLC, tenendo conto che assorbe 230 mA)
• collegarlo al PLC con un cavo Ethernet (meglio attraverso uno Switch per poter collegare contemporaneamente anche il PC per programmare PLC e HMI)

All'accensione il pannello mostra una schermata che permette di scegliere se:

• trasferire un progetto (pagine, ecc.) dal PC all'HMI
• avviare il progetto caricato nell'HMI
• configurare il dispositivo

Per poter comunicare col PLC e col PC il pannello va configurato assegnandogli un indirizzo IP (e relativa subnet mask) nella stessa a cui appartengono PLC e PC. Ad esempio se all'interfaccia di rete del PC¹⁾ è assegnato l'indirizzo 192.168.0.2 e al PLC l'indirizzo 192.168.0.1²⁾, all'HMI si può assegnare l'indirizzo 192.168.0.3 specificando come maschera di rete 255.255.255.0.

L'inserimento del pannello in un progetto di Tia Portal può avvenire sia dalla vista portale (Visualizzazione nel menu a sinistra) che in quella progetto, scegliendo Aggiungi nuovo dispositivo dalla finestra Navigazione de progetto. Diversamente da quanto avviene per le CPU non è possibile rilevare automaticamente i pannelli ma occorre indicarne il modello esatto specificando: dimensione dello schermo, modello e protocollo di comunicazione (nel nostro caso 7“ KTP700 Basic 6AV2 123-2GB03-0AX0). Dopo aver aggiunto il dispositivo è possibile seguire una procedura guidata per la sua configurazione o procedere manualmente. E' importante impostare correttamente il collegamento con la CPU, selezionando il PLC (già presente nel progetto) e l'interfaccia di comunicazione (Profinet). Questo può essere fatto anche successivamente e per via grafica, cliccando e collegando le interfacce di rete di PLC e HMI nella vista Dispositivi e Reti nella Navigazione del progetto.

Una volta collegato e configurato il pannello si procede alla realizzazione delle pagine dell'interfaccia grafica usando l'editor WinCC integrato in Tia Portal³⁾.

Per i progetti più semplici sarà sufficiente una sola pagina; quelli più complicati avranno più pagine e sarà necessario stabilire un collegamento tra loro per renderle navigabili.

Ogni pagina, che può essere configurata nel suo aspetto, va completata aggiungendo degli oggetti che possono essere:

• statici se il loro aspetto non cambia
• dinamici se cambiano durante il processo

Gli oggetti si inseriscono prelevandoli dalla scheda Casella degli strumenti o dalla scheda Biblioteche visibili sulla destra. Nella casella degli strumenti troviamo gli oggetti più semplici (linee, forme, ecc.) ma anche indicatori, campi di testo, pulsanti. Nelle biblioteche sono disponibili oggetti più complessi già pronti per l'uso (ad esempio in Buttons and switches|Cope master troviamo le Pilot Lights (spie) i Toggle switches (interruttori), e così via⁴⁾. Alcuni oggetti possono essere associati a delle variabili; in questo modo è possibile ad esempio:

• cambiare lo stato di una spia in base al valore di una variabile del PLC
• modificare una variabile del PLC in seguito alla pressione di un pulsante sul pannello touchscreen

L'associazione viene fatta dalle proprietà dell'oggetto. Ad esempio è possibile associare una PilotLight (spia) ad una variabile del PLC indicando nella sezione Generale delle proprietà dell'oggetto il nome della variabile e l'aspetto desiderato quando questa vale 0 o 1. Un'operazione analoga si può fare con i pulsanti indicando quale variabile del PLC si vuole comandare e in seguito a quale evento. Per i pulsanti (disponibili tra gli Elementi della Casella degli strumenti) nella sezione Premi della scheda Eventi si può associare una funzione associata alla pressione del pulsante sul touchscreen. Ad esempio scegliendo la Elaborazione di bit|Imposta bit con tasto attivato si può selezionare dal menu a tendina una variabile del PLC che si vuole comandare (NB quando il pannello HMI comanda il PLC bisogna agire sui merker e non direttamente sulle uscite!).

Quando l'interfaccia grafica è completa il progetto va compilato e caricato sul pannello HMI. Per farlo si procede come per i PLC con la funzione Carica nel dispositivo.

• video di riferimento di Siemens
• si può simulare il pannello HMI (e simulare contemporaneamente il PLC); selezionarlo nella finestra Navigazione progetto e scegliere Avvia simulazione
• per creare un bottone che collega a una pagina basta trascinare la pagina dalla finestra Navigazione progetto nella pagina in cui si vuole piazzare il link
• quando si crea una nuova pagina conviene assegnarle un modello (ad esempio quello predefinito che viene generato durante la configurazione guidata dell'HMI); la nuova pagina non compare nel menu a tendina presente in alto nel modello standard se non si aggiunge una voce all'Elenco testi nome della pagina che si raggiunge dal widget del menu o alla voce Elenchi grafiche e testi dalla finestra Navigazione progetto
• di default l'HMI controlla le variabili del PLC ogni secondo; per aggiornarle con maggiore frequenza bisogna cambiare il valore nel campo Ciclo di acquisizione della tabella variabili del PLC (ad esempio mettere 100ms)
• gli elementi grafici a disposizione dipendono dal tipo di pannello (niente Symbol library per i modelli basic); le grafiche di Wincc contengono comunque molte immagini utili che però non hanno proprietà modificabili (non si può cambiare i colori ad esempio)
• per le animazioni si possono combinare più grafiche in un elenco grafiche come suggerito in questo video
• è possibile usare il drag and drop e trascinare una variabile dal programma in ladder in una pagina; viene creato un widget del tipo campo I/O collegato alla variabile
• la homepage è indicata da un piccolo triangolo verde; si può cambiarla cliccando col pulsante destro sul nome di un altra pagina e selezionando Definisci come pagina iniziale
• per rendere visibile/invisibile un oggetto o cambiare alcune proprietà si seleziona l'oggetto e nella scheda Animazioni si sceglie Dinamizza visibilità; a questo punto si può abbinare una variabile e scegliere un campo di valori che influenzi visibilità/colore
• lo stesso si può fare per muovere un elemento

Bisogna distinguere due casi:

• si simula sia il PLC che il pannello HMI
• si simula solo il pannello HMI e si usa un vero PLC

Nel primo caso non ci sono particolari problemi: si usa PLCSim per simulare il PLC (come descritto qui) e si simula il pannello HMI selezionandolo nella finestra Navigazione del progetto e scegliendo Online|Simula dal menu. Questa soluzione è comoda se non dispone dell'hardware ma piuttosto lenta (compilazione, avvio di PLCSim, caricamento, ecc.).

Se è disponibile un PLC vero e proprio ha senso simulare il solo pannello HMI ma perché la simulazione funzioni bisogna modificare un'opzione nel pannello di controllo di Windows:

• dal pannello cercare o selezionare la voce Imposta interfaccia PG/PC (32 bit)
• abbinare a S7ONLINE la scheda di rete collegata al PLC (ad esempio la Realtek nei PC del laboratorio) scegliendo la voce che termina con TCPIP.1

Senza questa impostazione la simulazione funziona ma il pannello non comunica col PLC.

Il progetto del manipolatore si presta ad essere integrato con un pannello HMI che svolga funzioni di:

• supervisione
• configurazione

Questa versione aggiornata del progetto contiene un pannello HMI Basic che svolge queste funzioni oltre ad un software aggiornato che permette l'interazione tra PLC e HMI.

Il pannello HMI ha un'alimentazione separata a 24V e comunica con PLC e PC grazie a uno switch⁵⁾. Quando si aggiunge un HMI al progetto è bene controllare - e eventualmente modificare - l'indirizzo IP che non deve essere in conflitto con PLC (192.168.0.1) o PC (192.168.0.2).

L'interfaccia comprende tre pagine navigabili con un menu a tendina o con dei bottoni. La finestra principale contiene solo un'immagine del modellino. La pagina di supervisione permette di avviare il ciclo anche con un pulsante “start” virtuale e di interrompere il movimento con pulsante di emergenza (premendolo si fermano tutti i motori, disarmandolo si ha l'homing). I movimenti sono monitorati in due modi:

• con dei campi I/O che mostrano il valore dei contatori dei quattro encoder
• con delle rappresentazioni schematiche delle parti del manipolatore associate a delle animazioni

In questa pagina i campi I/O sono solo uscite e le variabili associate sono copiate dal PLC all'HMI ogni 100ms. Le animazioni sono:

• movimenti orizzontali o verticali definiti in pixel dato un range di valori di variabili del PLC (ad esempio da 0 a 12 → spostamento da 0 a 24 pixel)
• movimenti diretti (orizzontali e verticali) che producono uno spostamento lungo l'asse X e l'asse Y pari al valore di due variabili
• un elenco di grafiche per la rotazione del braccio dove si associa associata una determinata immagine a un intervallo di valori del conteggio legato alla rotazione⁶⁾

La pagina per la configurazione contiene dei campi I/O associati alle variabili delle impostazioni e dei pulsanti che ripristinano il valore di default. Il range di valori ammesso è definito nella tabella delle variabili standard dell'HMI (nella sezione Area); i pulsanti scrivono un valore predefinito in una variabile del PLC in corrispondenza dell'evento “rilascia”.

Il programma è modificato così:

• l'emergenza è gestita con un nuovo stato attivato dalla pressione del pulsante su HMI; il fronte di discesa del segnale associato al pulsante porta al passo P0 (homing)
• le coordinate dei movimenti non sono più valori numerici costanti inseriti nel programma ma dei valori contenuti in apposite variabili a ritenzione⁷⁾ contenute in un blocco dati (DB) apposito
• per gestire correttamente le animazioni dell'HMI si utilizzano contatori CTUD per i sensori a impulsi (l'informazione sul verso viene ottenuta dallo stato dei motori) e con una variabile che contiene il valore del conteggio diviso per 10 (per ottenere uno spostamento in pixel non troppo grande)

• Guida Siemens sul pannello HMI