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在近边缘设备中部署HMI功能以实现IIoT连接

时间:2018-02-06 作者:Scott Kortier 阅读:
随着近边缘设备智能化的提高,并非在所有情况下都需要用集中控制器和HMI来连接上层计算系统和IIoT。这些近边缘设备已经在其嵌入式平台操作系统(如Linux或VxWorks)中处理了所需的实时控制和监视功能。许多这些设备所没有的是:绕过集中控制器和HMI,将信息直接传递到上层计算平台和IIoT的途径。为实现这种高级连接,数据收集和相关功能通常可以直接嵌入到近边缘设备中。

许多制造商已经创建了完善的控制和监控核心功能,将其嵌入到自己的专用控制器、智能阀门和智能表计等近边缘设备(near-edge device)中。这些智能设备通常会连接到可编程控制器(PLC)或其它集中控制器以来回传递数据,而控制器通常又会连接到基于PC的人机界面(HMI)。HMI由于具有所需的以太网端口、协议支持、数据存储和数据处理功能,因此成为通往上层计算平台(如SCADA系统)、企业数据库、ERP系统和工业物联网(IIoT)的网关。

这些近边缘设备中嵌入了智能,而这通常是制造商的核心知识产权。例如,温度控制器读取温度,执行PID回路,并监视警报设置点(图1)。它通常通过一个串行端口和简单协议(如Modbus)或通过以太网来连接到集中控制器或HMI。

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图1:近边缘设备(如上面的温度控制器)通常具有足够的板载计算资源来托管嵌入式HMI。(图片来源:AutomationDirect)

近边缘设备的另一个例子是电能表,它通过电流互感器和电压互感器来检测能量的使用,并将这一数据转换成电力信息,然后可能将其发送到集中控制器或HMI。

随着近边缘设备智能化的提高,并非在所有情况下都需要用集中控制器和HMI来连接上层计算系统和IIoT。这些近边缘设备已经在其嵌入式平台操作系统(如Linux或VxWorks)中处理了所需的实时控制和监视功能。

许多这些设备所没有的是:绕过集中控制器和HMI,将信息直接传递到上层计算平台和IIoT的途径。为实现这种高级连接,数据收集和相关功能通常可以直接嵌入到近边缘设备中(图2)。

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图2:将嵌入式HMI添加到近边缘硬件设备,就能使其(通常通过因特网)连接到其它多种计算平台。(图片来源:InduSoft)

嵌入HMI的优点

这种方法的优点取决于应用。在某些情况下,近边缘设备可以使用其嵌入式HMI来为整个机器替代基于PC的HMI。在其它应用中,近边缘设备可以执行双连接功能:连接到集中控制器,交换实时控制信息;以及直接连接到上层计算平台,交换分析所需(但不属实时控制)的数据。

在任一情况下,主要优势都是嵌入式HMI中的内置软件驱动程序。近边缘设备制造商不再需要为市场上的数百种集中控制器、基于PC的HMI和上层计算平台中的每一种都创建和维护软件驱动程序,而是可以简单地将嵌入式HMI软件加载到其设备上。近边缘设备制造商也不需要编写代码来为其设备上的本地显示创建图形,因为嵌入式HMI可以通过简单的配置步骤执行此功能。

由于软件配置取代了定制编程,编译后的配置可以下载到设备中,因此近边缘设备制造商可以更快速度、更低成本开发产品。

如何在近边缘设备中嵌入HMI功能

近边缘设备不仅仅能够执行嵌入式控制和监视功能。通过嵌入正确的软件,这些设备还可以提供数据收集、数据存储、上层计算平台连接,以及本地或远程操作界面——创建板载嵌入式HMI。与基于PC的HMI或托管在专用平台上的HMI不同(这两种都自带显示器),操作员可以通过两种方式与该嵌入式HMI进行交互:

1.通过自带显示屏——假定近边缘设备配备;
2.通过与近边缘设备连接的上层计算平台。

在大多数情况下,近边缘设备将保留与集中控制器来回传递数据的能力。但是使用嵌入式HMI,它也可以将数据直接发送到上层计算平台和IIoT——传统上这是基于PC的HMI任务。

随着处理器性能和存储器芯片的进步,近边缘设备中的可用计算资源不断增加,将这种嵌入式HMI功能添加到近边缘设备的主要问题是软件开发。定制编程当然可以增加所需的功能,但这仅适用于年销量很高的设备,因为软件开发、测试和维护成本都很高。

定制编程的另一个问题是需要编写驱动程序来与市场上各种集中控制器和HMI以及不同类型的上层计算系统进行通信。第三个问题是通过对所有这些软件驱动程序所连接的控制器、HMI和上层计算系统的固件进行修订,来对其进行维护。大多数近边缘设备制造商仅通过在其串行端口和以太网端口上支持少数通信协议,来应对此问题。这简化了他们的编程和维护要求,但是限制了其产品的使用。

许多近边缘设备尽管其显示器通常非常强大,但是其只提供非常基本的操作界面功能。问题是创建复杂显示器所需的定制编程。

解决这些问题的另一种方法是使用现成的软件来添加所需的嵌入式HMI功能,例如InduSoft的IoTView或其它类似产品。与定制编程相比,这些基于PC的软件开发环境提供了一种更“即插即成(drop-in and done)”的方案,从而可加快产品上市时间,降低开发成本。这些方案通常还包括数百种连接到集中控制器和HMI以及上层计算系统的驱动程序。嵌入式HMI方案还具有非常强大的内置图形配置功能以及广泛的对象库。

嵌入式HMI软件必须紧凑轻便,并且能够在多个操作系统上运行,以允许在各种近边缘设备上下载和执行。假设选定的产品具有这些功能,下面介绍如何将其添加到近边缘设备。表中显示的实现细节适用于IoTView,但类似的产品将具有许多相同步骤。

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表:实现嵌入式HMI的步骤。

创建、配置和下载

在大多数情况下,创建嵌入式HMI应用的平台会是一个基于PC的开发环境。在创建项目时,开发人员必须知道或决定近边缘处理器类型(ARM、x86等)和操作系统(Windows Embedded、Linux、VxWorks等)。这样,开发人员便能选择正确的工具和编译器。就InduSoft的IoTView而言,在下载到目标近边缘设备前无需编译,所以项目在下载之前可保持平台独立性。

在配置用于本地或远程查看的图形时,必须时刻将用户牢记在心。是否能创建包含所需信息且用户友好的正确用户界面,将最终决定整个产品的成败;用户界面是用户第一眼之所见,也是与设备交互的要点。

数据太多或太少都有问题,因此要特别关注哪些数据必须要一目了然、快速查看或仔细研究。显示内容取决于用于查看数据的设备以及哪些信息对用户重要。图形设计应遵循图3所示的常见用户界面做法。

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图3:在任何嵌入式HMI实现中,为近边缘设备上的本地显示或其它地方的远程显示配置图形都是不可或缺的重要步骤。(图片来源:InduSoft)

项目的早期应该决定从嵌入式设备到其它平台所需的通信(如通过Modbus/TCP或EtherNet/IP与SCADA系统通信)。仔细定义嵌入式HMI将提供的数据以及所需变量及其存储地址非常重要。保持地址连续和短的变量名称(标签名称)可提高通信效率(图4)。

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图4:配置近边缘设备和其它计算系统之间的连接应牢记简单易行的原则,以提高通信效率。(图片来源:InduSoft)

由于复杂的安装过程会大大增加项目的工程开发时间,因此基于PC的开发环境应允许快速灵活地下载到嵌入式设备。使用IoTView附带的Remote Agent工具可以快速进行设计更改和更新,并提供远程故障排除和测试工具。例如,将一个对象(按钮、文本输入或图标)从屏幕上的一点移动到另一点只需几秒钟,而不是几分钟甚或几小时。

测试和连接

在产品概念上,还需要从开发的视角和质量的角度进行测试。嵌入式项目是否可以在非嵌入式设备(如Windows PC)上进行测试和检查?如果可以,那么在将文件发送到嵌入式设备之前,可以将仿真和逻辑测试在本地完成,从而缩短总体开发时间。

目标设备通常具有串行或以太网端口,或者可能具有无线连接选项(图5)。如果嵌入式设备包含TCP/IP协议栈,那么LAN、因特网、无线调制解调器、蜂窝甚至卫星连接可予以支持。

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图5:嵌入式HMI软件开发系统应针对目标平台的连接和下载支持各种通信选项。(图片来源:InduSoft)

嵌入式HMI的主要优点之一是能够将数据直接发送到云,这是许多IIoT实现的必要条件。通过大多数嵌入式HMI软件产品提供的内置工具,将数据发送到基于云的存储系统(如SQL数据库)、MQTT代理或亚马逊等商业数据存储公司的工作将大大简化。

总结

具有嵌入式HMI的近边缘设备可大幅简化设备制造商提供高级本地或远程操作界面显示及与其它计算平台交换数据的过程。现成的软件可用于配置嵌入式HMI应用,并将其下载到近边缘目标设备。与定制编程相比,这通常是实现本地显示功能的更好选择,并且还实现并保持了与其它计算平台的连接。

《EDN电子技术设计》2018年2月刊版权所有,转载请注明来源及链接。

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