ヒューマン マシン インターフェイスの説明: ヒューマン マシン インターフェイスの概要と正しく使用する方法

ヒューマン・マシン・インターフェースとは実際には何なのか

ヒューマン マシン インターフェイス (ほぼ一般的に HMI と略称される) は、人間のオペレーターと機械または自動システムとの間の接点です。最も基本的な HMI は、人が産業機器やプロセスを監視、制御し、対話できるようにするデバイスまたはソフトウェアです。この定義には、工場現場の機械に取り付けられたタッチスクリーン パネル、制御室ワークステーションのグラフィカル ダッシュボード、タブレットからアクセスされる Web ベースのインターフェイス、さらにはインジケータ ライトを備えた単純な押しボタン パネルなど、幅広い物理的形式が含まれます。これらすべてに共通するのは、複雑なマシンの状態とプロセス データを人間が読み取って操作できる形式に変換し、人間のコマンドをマシンが実行できる信号に変換するという基本的な目的です。

最新の産業オートメーションにおいて、HMI システムは、あらゆる施設において運用上最も重要なコンポーネントの 1 つです。適切に設計されたオペレーター インターフェイスがなければ、その背後にある最も洗練されたプログラマブル ロジック コントローラー (PLC) や分散制御システム (DCS) であっても、効果的に操作、監視、トラブルシューティングを行うことが困難になります。 HMI は、オペレーターが作業時間を過ごし、アラームが認識され、プロセスパラメータが調整され、生産ライン全体の健全性が一目でわかる場所です。ハードウェアの選択、ソフトウェア設計、画面レイアウトの観点から HMI を適切に設定することは、オペレーターの効率、応答時間、そして最終的には操作の安全性と生産性に直接影響します。

HMI システムの仕組み: 技術的基盤

産業用 HMI システムがどのように動作するかを理解するには、オペレータを物理プロセスに接続するハードウェアとソフトウェアの層を理解する必要があります。 HMI はマシンを直接制御しません。その役割は、その下の PLC、DCS、またはその他の制御ハードウェアに属します。代わりに、HMI は制御システムからデータを読み取り、オペレーターに視覚的に表示し、コマンドまたはパラメーターの変更としてオペレーターの入力を制御システムに返します。

PLCおよび制御システムとの通信

HMI は、産業用通信プロトコルを通じて、基礎となる制御ハードウェア (通常は PLC または DCS コントローラー) と通信します。一般的なプロトコルには、Modbus RTU、Modbus TCP/IP、EtherNet/IP、PROFIBUS、PROFINET、DeviceNet、OPC UA などが含まれます。 HMI ソフトウェアは、PLC の特定のレジスタ、タグ、またはデータ アドレスを画面上のグラフィック要素にマッピングします。そのため、PLC メモリ内の温度センサーの値が変化すると、HMI 画面上の対応するゲージまたは数値表示がリアルタイムで更新されます。オペレータが HMI タッチスクリーン上の仮想ボタンを押すと、HMI は対応する PLC レジスタに値を書き込み、PLC はその制御ロジックに従ってその値に基づいて動作します。

タグデータベースとデータマッピング

HMI システムの中心となるのはタグ データベースです。これは、HMI が接続された制御システムに対して読み書きするすべてのデータ ポイント (タグ) の構造化されたリストです。各タグには、名前、データ型、通信アドレス、工学単位、およびスケーリング パラメーターがあります。適切に編成されたタグ データベースは、信頼性の高い HMI 構成の基盤です。名前が不適切、構造が一貫性がない、またはアドレスが間違っているタグは、産業環境における HMI の問題の最も一般的な原因の 1 つです。最新の HMI ソフトウェア パッケージでは、タグを PLC プログラミング環境から直接インポートできるため、手動によるデータ入力エラーが減少し、HMI データベースと制御システム構成の同期が維持されます。

画面のグラフィックスとフェイスプレート

HMI のビジュアル面は、オペレータが迅速に解釈できる方法でプロセスを表すグラフィカル画面 (ソフトウェア プラットフォームに応じてページ、ビュー、またはディスプレイと呼ばれます) で構成されます。プロセス フロー ダイアグラム、アニメーション化された機器表現 (動作中に回転しているように見えるポンプ、開閉時に色が変わるバルブ)、トレンド グラフ、アラーム リスト、およびデータ入力フォームはすべて、産業用 HMI 画面設計の標準要素です。フェイスプレート — 単一の制御ループまたは機器の一部に関連するすべてのデータを表示する標準化されたポップアップ ウィンドウ — により、オペレーターはメインのプロセス概要画面を煩雑にすることなく、詳細な情報にドリルダウンできます。

HMI ハードウェアの種類: パネル HMI から PC ベースのシステムまで

HMI ハードウェアにはいくつかの異なるフォーム ファクターがあり、それぞれが異なるアプリケーション環境や運用要件に適しています。正しい選択は、監視対象のプロセスの複雑さ、設置場所の環境条件、必要な機能のレベルによって異なります。

スタンドアロン HMI パネル

スタンドアロン HMI パネル (オペレータ パネルまたはオペレータ インターフェイス ターミナル (OIT) とも呼ばれる) は、ディスプレイ、タッチスクリーンまたはキーパッド入力、プロセッサ、および通信ハードウェアを、機械に直接取り付けるように設計された単一の堅牢な筐体に組み込んだ自己完結型ユニットです。通常、対角 4 インチから最大 21 インチまでの幅広い画面サイズがあり、ほこりの多い、湿った、または化学的に攻撃的な環境での使用に合わせて、さまざまな IP 保護等級が用意されています。これらのパネルは、汎用オペレーティング システムではなく専用の HMI ファームウェアを実行するため、PC ベースのソリューションよりも構成が簡単で、長期的に安定しています。この分野の主要メーカーには、シーメンス (SIMATIC HMI)、ロックウェル オートメーション (PanelView)、三菱電機 (GOT シリーズ)、シュナイダー エレクトリック (Magelis)、Weintek などが含まれます。

PCベースのHMIシステム

PC ベースの HMI システムは、標準のデスクトップまたはラックマウント PC、パネル PC (タッチスクリーン エンクロージャに組み込まれた PC)、または産業用シン クライアントのいずれかの産業用 PC プラットフォーム上で HMI ソフトウェアを実行します。 PC ベースのシステムは、スタンドアロンの HMI パネルよりも大幅に優れた柔軟性と処理能力を提供します。つまり、より複雑なグラフィックスを実行し、より多くのタグ数を処理し、データベースやエンタープライズ システムと統合し、複数のソフトウェア アプリケーションを同時に実行できます。トレードオフとしては、初期コストが高く、IT 管理 (オペレーティング システムのアップデート、ウイルス対策、サイバーセキュリティ) がより複雑になり、専用 HMI パネルに比べてハードウェアのライフサイクルが短くなる可能性があります。 PC ベースの HMI は、大規模で複雑な監視システムや制御室ワークステーションに推奨されるアプローチです。

モバイルおよび Web ベースの HMI

最新の HMI プラットフォームでは、Web ブラウザや専用モバイル アプリを介したリモート アクセスがサポートされることが増えており、オペレータやエンジニアがプラント ネットワーク上のどこからでも、あるいはオフサイトからの安全なリモート接続を介してスマートフォンやタブレットでプロセス データを監視し、アラーム通知を受信できるようになります。 Web ベースの HMI により、日常的な監視タスクのために実際にパネルの前にいる必要性が減り、時間外のアラームに対する迅速な対応が可能になります。ただし、リモート アクセスには、慎重に管理する必要があるサイバーセキュリティに関する考慮事項が導入されており、モバイル インターフェイスは一般に、専用パネルの設置精度の恩恵を受ける複雑な制御操作よりも監視に適しています。

HMI と SCADA: 違いを理解する

HMI と SCADA (監視制御およびデータ収集) という用語は、頻繁に一緒に使用され、時には同じ意味で使用され、かなりの混乱を引き起こします。これらは関連していますが別個の概念であり、産業用制御システムを指定したり使用したりする人にとって、違いを理解することが重要です。

HMI は、最も厳密な意味では、単一のマシンまたはプロセス領域のローカル オペレーター インターフェイスです。HMI は、データを視覚化し、直接接続されている機器に対するオペレーターの入力を受け入れます。 SCADA は、施設全体、プラント全体、または地理的に分散した運用全体にわたる複数の HMI、PLC、リモート端末ユニット (RTU)、およびその他のフィールド デバイスからのデータを集約し、一元的な監視の可視性と制御を提供する、より高レベルのシステム アーキテクチャです。 SCADA システムには、通常、長期データ ロギング、高度なアラーム管理、レポート ツール、およびプラント全体の IT システムとの統合のためのヒストリアンが含まれています。

実際には、ほとんどの最新の SCADA ソフトウェア パッケージには完全な HMI 開発環境が含まれており、オペレータが SCADA システムで使用する HMI 画面は、スタンドアロン マシンの HMI と同じツールと原則を使用して構築されています。この違いは、オペレータ インターフェイスそのものよりも、規模とアーキテクチャにあります。小規模な製造セルでは、その上に SCADA 層を持たないスタンドアロン HMI パネルのみを使用する場合があります。大規模な加工工場では、PC ベースのワークステーション上で実行される SCADA ソフトウェアを使用し、数十の個別のマシン HMI が中央の SCADA システムにデータを供給します。

HMI の主要な機能と機能の比較

HMI システムを評価する場合、ハードウェア パネルであってもソフトウェア プラットフォームであっても、産業用アプリケーションについては、次の機能領域を比較することが最も重要です。

HMI システムの一般的な産業用途

HMI テクノロジーは、産業およびインフラストラクチャ運用の事実上あらゆる分野に導入されています。アプリケーションの範囲を理解することは、さまざまな HMI 構成が実際に何を提供する必要があるかを明確にするのに役立ちます。

• 製造および組立ライン: 個々の作業セルや機械ステーションに取り付けられた HMI パネルにより、オペレータはステーションを離れることなく、生産数の監視、機械パラメータの調整、障害の解決、メンテナンスの依頼を行うことができます。スーパーバイザエリアのラインレベルの概要画面には、生産ライン全体のステータスが一度に表示されます。
• 水および廃水処理: SCADA ベースの HMI システムは、水道事業の運営全体を通じて使用され、中央制御室から地理的に分散したインフラ全体でポンプ場、処理プロセス、タンクレベル、流量、水質パラメータを監視します。
• 石油、ガス、化学処理: プロセスプラントの HMI および SCADA システムは、圧力、温度、流量、化学組成を含む複雑な連続プロセスを監視および制御します。これらのプロセスは、安全性と製品品質のために厳しい動作制限内に維持する必要があります。このようなアプリケーションでは、アラーム管理が特に重要です。
• 食品および飲料の製造: 食品加工における HMI システムは、充填ライン、低温殺菌装置、CIP (定置洗浄) システム、および包装機器とのオペレーターの対話をサポートする必要があり、多くの場合、食品安全規制によって推進される監査証跡とバッチ記録の要件が伴います。
• ビルディングオートメーションとHVAC: ビル管理システム (BMS) は、HMI スタイルのオペレーター インターフェイスを使用して、商業ビルおよび工業ビル全体の HVAC システム、照明、アクセス制御、エネルギー管理のステータスを表示します。通常は PC ワークステーションまたは Web ブラウザを通じてアクセスします。
• エネルギーと発電: 発電所、変電所、および再生可能エネルギー施設は、HMI および SCADA システムを使用して、発電出力、グリッド接続、機器の健全性、および保護システムのステータスを監視します。多くの場合、非常に高い信頼性と応答時間の要件が必要になります。

実際に操作を改善する HMI 画面設計のベスト プラクティス

HMI の画面設計の品質は、オペレーターがプロセスをいかに効果的に監視し、対応できるかに直接影響します。貧弱な HMI 設計 (乱雑な画面、一貫性のない色使用、過剰なアニメーション、読みにくいアラーム リスト) は、産業事故やオペレータ エラーの要因であることが十分に文書化されています。優れた HMI デザインとは、画面を印象的に見せることではありません。それは、適切な情報を素早く、明確に、曖昧さなく利用できるようにすることです。

高性能 HMI 手法

ASM コンソーシアムと Bill Holliday 氏や Ian Nimmo 氏などの業界専門家によって開発および普及された高性能 HMI (HPHMI) 手法は、視覚的な複雑さよりも状況認識と迅速な異常検出を優先する産業用 HMI 設計への構造化されたアプローチを提供します。その基本原則には、通常の動作状態 (灰色の背景、灰色のプロセス要素) に対して落ち着いたニュートラルなカラー パレットを使用すること、明るい色 (特に赤と黄色) を異常な状態とアラーム専用に確保すること、アナログ値の迅速な判断を困難にする塗りつぶしや勾配の使用を最小限に抑えること、装置の地理的位置ではなくプロセス フローを中心に画面を編成することが含まれます。オペレーターは、高性能 HMI 画面で明るい色を見ると、何か注意が必要であることがすぐにわかります。通常の操作ですでに画面がカラフルなアニメーションやグラフィック要素でいっぱいである場合、これは不可能です。

画面の階層とナビゲーション

適切に設計された HMI システムは、画面を明確な階層に編成します。レベル 1 はプラントまたはエリアの概要です。プロセス全体のステータスを高レベルで表示する 1 つの画面で、数フィート離れた場所からでも一目で判読できるように設計されています。レベル 2 の画面には、個々のプロセス単位またはセクションがさらに詳細に表示されます。レベル 3 の画面には、機器のフェイスプレート、制御ループ、および特定の機器の測定値の詳細が表示されます。レベル 4 はメンテナンス画面と診断画面をカバーします。レベル間のナビゲーションは、オペレーターが探し回ることなく必要な画面にすばやく移動できるように、ナビゲーション コントロールの一貫した配置により、高速かつ論理的である必要があります。一般に必要な情報にアクセスするために複数の画面遷移が必要となる、体系化されていないナビゲーションは、時間が重要な状況において生産性と安全性に重大な懸念をもたらします。

アラーム管理設計

アラーム フラッディング (単一の根本原因イベントによって引き起こされることが多く、数百件のアラームが同時に作動してオペレーターが圧倒される状況) は、産業運用における HMI 関連の安全性に関する最も深刻な問題の 1 つです。警報システムに関する EEMUA 191 ガイドラインと ISA-18.2 標準は両方とも、警報の合理化、優先順位付け、および管理に関する詳細なガイダンスを提供します。主な設計原則には、アラームの数を本当にオペレータのアクションが必要なアラームに制限すること、応答時間が定義された明確な優先レベル (高、中、低) を割り当てること、既知のプロセス状態の予測可能な結果であるアラームを抑制すること、アラーム リストの表示により、優先度の低い通知のスクロール リストに埋もれるのではなく、最も重要で実行可能なアラームがすぐに表示されるようにすることが含まれます。

HMI サイバーセキュリティ: ますます重要な考慮事項

HMI システムが分離された独自のネットワークから、プラント IT システムと統合されたイーサネット接続のプラットフォームに移行し、場合によってはリモート アクセスのためにインターネットに接続されるようになり、サイバーセキュリティが真に重大な懸念事項になりました。産業用 HMI システムと SCADA ネットワークは、ランサムウェアを含むサイバー攻撃の標的であることが知られており、水処理、エネルギー、製造施設におけるいくつかの注目を集めたインシデントは、不適切な産業用サイバーセキュリティが現実世界に及ぼす影響を実証しています。

HMI システムの基本的なサイバーセキュリティ対策には、HMI/SCADA ネットワークと企業 IT ネットワーク間のネットワーク セグメンテーション (通常、非武装地帯または DMZ アーキテクチャを使用して実装)、役割ベースのユーザー権限を含む HMI アクセスの強力な認証、HMI ソフトウェアとオペレーティング システムの定期的なパッチ適用、未使用の通信ポートとサービスの無効化、デフォルトの認証情報の削除、USB ドライブを介したマルウェアの侵入を防ぐためのリムーバブル メディア アクセスの制御などが含まれます。 IEC 62443 シリーズの規格は、HMI および SCADA システム セキュリティに関する具体的なガイダンスを含む、産業用サイバーセキュリティの最も包括的なフレームワークを提供します。

HMI システムを選択する際の考慮事項

新規または改修アプリケーションに適切な HMI ハードウェアおよびソフトウェアを選択するには、技術要件、環境制約、ベンダー サポート、および長期的なライフサイクルの考慮事項のバランスが必要です。特定のプラットフォームを使用する前に、次の要素を慎重に評価する必要があります。

• PLC と制御システムの互換性: HMI は、既存または計画中の PLC プラットフォームのネイティブ通信ドライバーをサポートする必要があります。 OPC UA は、ほとんどの最新システム間のユニバーサルな統合パスを提供しますが、ネイティブ ドライバーは通常、より優れたパフォーマンス、より簡単な構成、より緊密な統合を提供します。 PLC ブランドの HMI ベンダーのドライバーが積極的に保守されており、使用しているファームウェアのバージョンをサポートしていることを確認してください。
• 環境評価: 機械に取り付けられた HMI パネルは、設置場所の環境条件に応じて評価される必要があります。 IP65 または IP66 定格は、食品加工、屋外、洗浄環境で通常必要とされる噴流水や粉塵の侵入に対する保護を提供します。高温と低温の両方の極端な周囲条件があるアプリケーションでは、温度範囲定格が重要です。
• 画面サイズと解像度: 画面サイズは、表示する必要がある情報量とオペレーターの視聴距離に合わせてください。少数のパラメータを備えた単一マシンのインターフェイスには、7 インチのパネルで十分です。複雑なプロセスの概要を表示するには、少なくとも 15 インチのディスプレイが必要であり、制御室の SCADA ワークステーションは通常、24 インチ以上のモニターを使用します。高解像度のワイドスクリーン ディスプレイでは、読みやすさを損なうことなく、1 画面あたりにより多くの情報を表示できます。
• ソフトウェア開発環境： HMI 開発ソフトウェアの使いやすさ、利用可能なグラフィック ライブラリ、スクリプトまたはプログラミング機能、稼働中のハードウェアを使用しないテスト用のシミュレーション ツール、ドキュメントと技術サポートの品質を評価します。 HMI の構成は進行中です。オペレーターは画面の追加、パラメータの変更、新しい機器の追加が必要です。そのため、開発環境には専門のインテグレータだけでなくメンテナンス チームもアクセスできる必要があります。
• ハードウェアのライフサイクルと予備の可用性: 産業用 HMI パネルはサポートされ、スペアパーツが少なくとも 10 ～ 15 年間入手できる必要があります。購入前に、ベンダーが公開している製品ライフサイクルへの取り組みと、検討している特定のモデルの交換ユニットの入手可能性を確認してください。製品を頻繁に製造中止するベンダーのプラットフォームを選択すると、何年も後に痛みと費用のかかる移行プロジェクトが発生します。
• スケーラビリティ: 現在選択した HMI プラットフォームが施設の成長に合わせて成長できるかどうかを検討してください。システムが現在のニーズを満たしていても、2 年以内にタグ数や画面の制限に達してしまうと、不必要なアップグレード コストが発生します。同じベンダー エコシステム内で、スタンドアロン パネルから PC ベース、SCADA に至るまで、明確なアップグレード パスを持つプラットフォームを選択すると、要件の増大に応じて移行の労力が軽減されます。

ヒューマン・マシン・インターフェース技術の将来

HMI テクノロジーは、接続性、コンピューティング能力、インターフェイス設計の進歩によって急速に進化しています。いくつかのトレンドは、産業オペレーターのインターフェースの外観と動作を積極的に再構築しており、それらを理解することは、組織が数年以内に時代遅れになるプラットフォームに投資するのではなく、将来を見据えたテクノロジーの意思決定を行うのに役立ちます。

クラウド接続された HMI および SCADA プラットフォームにより、従来のオンプレミス アーキテクチャでは現実的ではなかった規模での一元的なデータ ストレージ、リモート監視、分析が可能になります。インダストリアル IoT (IIoT) の統合により、HMI システムは PLC だけでなく、スマート センサー、エッジ デバイス、状態監視システムからのデータを集約できるようになり、オペレーターは機器の健全性とプロセス パフォーマンスをより詳細に把握できるようになります。拡張現実 (AR) インターフェイス (オペレーターがスマート グラスやタブレット カメラを介して実際の機器に HMI データを重ねて表示する) が保守点検のワークフローに導入され始めており、紙の手順を持ち歩いたり、測定値を確認するために機器から目を離したりする必要性が軽減されています。人工知能と機械学習は SCADA および HMI プラットフォームに統合されており、単に生データを報告するのではなく、オペレーターをサポートする予測アラーム管理、異常検出、運用最適化の推奨事項を提供します。

これらすべての変化を通じて、 ヒューマンマシンインターフェース 目に見えないものを見えるようにし、機械の複雑さを人間の理解に変換し、プロセスを安全かつ効率的に実行し続けるために必要な情報と制御をオペレータに提供することは変わりません。テクノロジーは進化し続けていますが、HMI を真に役立つものにする設計原則 (明瞭さ、速度、一貫性、オペレーターが実際に必要とするものへの焦点) は、これまでと同様に関連性を維持しています。