HMI (Human-Machine Interface): cos’è, a cosa serve e come si adatta alla fabbrica digitale

Cos'è e a cosa serve un sistema HMI (Human-Machine Interface), o interfaccia uomo-macchina, nelle applicazioni di automazione industriale?

Quando ci si riferisce a un sistema HMI (Human-Machine Interface), o interfaccia uomo-macchina, si intende essenzialmente un sistema composto da dispositivi e/o software in grado di abilitare una comunicazione tra un utilizzatore (un operatore) e una macchina, un impianto o una linea di produzione.

Un sistema HMI serve, in pratica, a rendere accessibili i dati generati in campo (macchine, impianti, linee) agli operatori, facendo in modo che diventino informazioni utili a visualizzare l'andamento di un processo di produzione e controllarne tutte le sue fasi.

Siamo quindi di fronte a piattaforme nelle quali si integrano componenti hardware e software, che sanno far dialogare i due poli principali dell'automazione industriale: i macchinari e gli esseri umani. Sono strumenti sempre più preziosi per consegnare agli operatori di fabbrica informazioni in tempo reale sulla produzione, portando maggiore consapevolezza e valore all’intervento umano.

Come avviene l'interazione a partire da un sistema HMI

Oggi, nei contesti di fabbrica digitale, questi sistemi HMI stanno evolvendo per diventare sempre più intuitivi e user-friendly, tanto dal punto di vista delle funzionalità software, quanto dall'aspetto, sempre più simile a device di uso comune come i tablet o gli smartphone.

La digitalizzazione sta dunque rinnovando profondamente il design e le funzionalità delle soluzioni HMI. Di questo abbiamo parlato con Fredy Ruiz, responsabile di area presso Made 4.0 Competence Center. «Le interfacce uomo-macchina (HMI) consentono agli operatori di controllare e monitorare lo stato dei macchinari all'interno di un'azienda. Nel corso degli ultimi due decenni, si sono evoluti da semplici bottoni e segnali luminosi (luci indicatorie), come unici mezzi di interazione, a schermi tattili dotati di grafiche dinamiche e informazioni in tempo reale sullo stato dei processi».

Lo stato dell’arte della tecnologia HMI, oggi, si basa su alcune caratteristiche evidenti. «L'industria è caratterizzata da macchinari automatizzati che fanno uso di schermi tattili, come principale strumento di comunicazione con gli operatori. Questi consentono la configurazione delle funzionalità, la programmazione, la diagnosi di base e la visualizzazione delle statistiche d'uso. Queste interazioni avvengono principalmente a livello locale. L'interfaccia cioè è strettamente legata a ciascun macchinario. Ed è parte integrante dello stesso. Lo sviluppo degli elementi HMI è responsabilità dei fornitori dei macchinari. La loro personalizzazione a volte è ancora limitata».

Come cambiano i sistemi Human-Machine Interface

«Con l'avvento della digitalizzazione, i sistemi HMI si stanno evolvendo come componente fondamentale del sistema produttivo. Al momento però sono indipendenti dalle singole macchine. In un contesto costituito da numerosi componenti interconnessi in rete, l'interazione tra l'utente e il macchinario può avvenire a distanza, senza vincoli spaziali, su diverse piattaforme. E con risorse computazionali nettamente superiori rispetto a quelle disponibili nei tradizionali sistemi HMI basati su plc. Questo è il primo cambiamento significativo», ha spiegato Fredy Ruiz.

Un secondo cambiamento riguarda i canali di comunicazione disponibili tra l'operatore e i macchinari. Con l'introduzione dei sistemi di visione artificiale, dei sensori indossabili e dei sistemi di riconoscimento vocale, si sono aperti nuovi canali per il controllo delle operazioni degli impianti. Il vantaggio di queste nuove modalità di interazione è consentire all'utente di avere le mani libere durante l’interazione con la macchina. Senza dover premere pulsanti o toccare uno schermo per navigare tra i menu. Basta impartire comandi attraverso la voce o movimenti del corpo, tutto all'interno di uno spazio di lavoro.

Infine, un terzo elemento di sviluppo dei sistemi HMI riguarda la qualità e il tipo di informazioni che possono essere scambiate con l'impianto. E questo grazie a capacità computazionali sempre più potenti, a funzionalità di rete dei componenti dell'impianto sempre più estese e a raccolta di dati storici sempre più strutturata.

I sistemi Hmi per una nuova user experience in fabbrica, con l'AR e l'AI

«Per le imprese manifatturiere, questi scenari si concretizzano in un cambiamento nel ruolo dell'operatore nel contesto produttivo», ha detto Ruiz. «Nei processi altamente automatizzati e con maggiore quantità di informazioni a disposizione, l'operatore assume maggiore responsabilità nella gestione di compiti complessi nella catena di montaggio. Si attribuiscono anche le decisioni in situazioni atipiche e la manutenzione dei macchinari».

«In tali contesti, l'accesso a informazioni dettagliate contribuisce all'ottimizzazione delle procedure. L'utilizzo della visione artificiale per identificare i passaggi di montaggio riduce gli errori procedurali. La fornitura di informazioni attraverso occhiali o proiettori semplifica le operazioni di manutenzione guidata e gli interventi con supporto remoto. L'obiettivo finale è migliorare la produttività».

Quando si parla di HMI, perciò, l’evoluzione è dettata dall'insieme delle opportunità tecnologiche offerte contemporaneamente da realtà aumentata, intelligenza artificiale e machine learning. Le tecnologie di realtà aumentata sono una parte integrante dei sistemi Hmi, rappresenta nuovi canali di comunicazione il cui ruolo è già evidente in diverse industrie.

L'intelligenza artificiale e il machine learning sono elementi che possono essere impiegati all'interno dei sistemi Hmi per ottimizzare le interazioni con l'operatore. Hanno il potenziale di far evolvere le applicazioni HMI stesse, adattandole al comportamento dell'operatore, ad esempio semplificando i punti di controllo mentre l'utente apprende un processo. Attualmente, ci troviamo ancora in una fase esplorativa in questo ambito.

Quali competenze sono necessarie per usare bene un sistema HMI

A questo punto è giusto interrogarsi anche sulle competenze richieste per un impiego adeguato dei sistemi HMI. La principale sfida nell'implementazione dei sistemi HMI nella fabbrica intelligente è garantire un'integrazione adeguata verso l'operatore.

Sebbene tali sistemi possano assistere nella formazione e supportare operazioni complesse o occasionali, il modo in cui interagiscono con l'utente rappresenta un fattore cruciale per assicurare il conseguimento dell'obiettivo di un lavoratore potenziato.

Verso maggiore personalizzazione e integrazione delle Human-Machine Interface

Lo sviluppo dei sistemi HMI deve partire dalla loro semplicità di utilizzo e dal contesto in cui saranno impiegati. Non ci troviamo di fronte a prodotti di linea da incorporare nelle macchine. In questa nuova fabbrica digitale, i sistemi HMI devono essere progettati su misura per l'operatore, quasi personalizzati. Per evitare di creare soluzioni di massa con tecnologie all'avanguardia che possano intimidire l'operatore e costringerlo ad adattarsi a tecnologie che, anziché migliorare la produttività, generano problemi di salute e affaticamento sul lavoro.

Un fattore cruciale per il successo di queste nuove interfacce è la corretta integrazione all'interno della fabbrica digitale. Anche in questo caso, la personalizzazione rappresenta la chiave di volta.

Ogni azienda, pmi o grande impresa, possiede un'architettura di digitalizzazione unica. Il software di un sistema HMI deve essere sviluppato tenendo conto dell'infrastruttura disponibile, del tipo di supporti utilizzati per presentare le informazioni (schermi, tablet, cellulari, proiettori, occhiali), del piano di sviluppo tecnologico e dei piani di formazione del personale. Ci troviamo di fronte a un nuovo concept, in base al quale le interfacce uomo-macchina stesse diventano flessibili e realizzate su misura.