A HMI története – Az őskor jelzőtüzeitől a modern érintőképernyőig

Mi az a HMI – és miért olyan régi, mint az emberiség?

A HMI (Human-Machine Interface – ember-gép interfész) ma egy konkrét ipari terméket jelent: azt az érintőképernyős panelt, ami a PLC-hez csatlakozik, és amelyen az operátor figyeli és vezérli a gyártási folyamatot. De ha tágabban gondolkodunk, a HMI fogalma sokkal ősibb. Minden eszköz, ami közvetít ember és gép között – ami információt ad az embernek a gépről, vagy lehetővé teszi, hogy az ember utasítsa a gépet – az interfész.

Ebben az értelemben a HMI története egyidős az első szerszámokkal. Az emelő, amit meghúzol. A kerék, amit megpörgetsz. A kötél, amit megeresztesz. A fújtató, amit összenyomsz. A harang, ami figyelmeztet. Mindez interfész – az ember és a gép közötti híd.

Induljunk el az elejétől.

Az őskor és az ókor: a kéz és a szem

Az első „gépek" egyszerű mechanizmusok voltak: emelők, csigák, ékek, lejtők, kerekek. A Közel-Keleten az emelő mintegy 5 000 éve jelent meg – mérlegeléshez és nehéz tárgyak mozgatásához. Az ókori Egyiptomban a shaduf (kútgém) az emelő elvén működött: egy hosszú kar egyik végén kő ellensúly, a másik végén vödör. A kezelő a kart húzta le és engedte fel – ez volt az interfész. Egyszerű, közvetlen, fizikai.

A visszajelzés is fizikai volt: a kezelő látta a víz szintjét, érezte a kar ellenállását, hallotta a víz csobogását. Nem volt szükség kijelzőre – az emberi érzékek voltak a „szenzorok", és az emberi karok voltak az „aktuátorok".

Az ókori görögöknél már megjelentek a bonyolultabb gépezetek. Alexandriai Hérón – akiről korábbi cikkünkben részletesen írtunk – az i.sz. 1. században olyan automatákat épített, amelyeknek volt egyfajta „programja" (kötélre tekert mozgásminták) és „kimenetei" (mozgó figurák, tűz, zene). De ezeknek nem volt igazi emberi interfésze – egyszer beindították, és futottak a program szerint. Az ember nem avatkozott be futás közben.

A valódi HMI-igény akkor jelent meg, amikor a gépek elég bonyolulttá váltak ahhoz, hogy futás közben is figyelni és szabályozni kelljen őket.

A gőzkor: nyomásmérők, vízszintjelzők és biztonsági szelepek

A 18. század végén a gőzgép megváltoztatott mindent. Thomas Newcomen (1712) és James Watt (1765) gőzgépei az első igazán veszélyes ipari gépek voltak – egy elszabadult kazán robbant. Az emberi kezelőnek tudnia kellett, mi történik a gép belsejében, anélkül hogy beleláthatna. Így születtek az ipari HMI első igazi elemei:

Nyomásmérő (manométer): Egy egyszerű műszer, ami a kazán belső nyomását egy mutató kitérésévé alakítja – az ember számára olvasható formában. James Watt kifejlesztette a gőzgép-indikátort, amely a nyomást a dugattyú pozíciójának függvényében rajzolta fel – ez volt tulajdonképpen az első „valós idejű" műszeres kijelzés.

Vízszintjelző (sight glass): Egy üvegcső a kazán oldalán, amelyben a vízszint közvetlenül látható. Egyszerű, de létfontosságú: ha a vízszint lecsökken, a kazán kiég.

Biztonsági szelep: Nem kijelző, de interfész – a gép automatikusan „jelzi" a túlnyomást azzal, hogy gőzt ereszt ki, hangos fújtatással. A korai szelepeket egyszerű karral és súllyal állították be – és sajnos sok gépkezelő lecsavarta őket, hogy több gőzt – és több teljesítményt – kapjon. Az eredmény: kazánrobbanások.

Centrifugális szabályzó (governor): Watt „centrifugális golyós" fordulatszám-szabályzója nemcsak szabályozó volt, hanem egyfajta vizuális visszajelzés is: a kezelő látta a golyók kitérését, amiből a fordulatszámra következtethetett.

Ezek a műszerek adták az első „műszerfalat" – a gép és az ember közötti vizuális és fizikai kapcsolatot. A kezelő a nyomásmérőre nézett, a vízszintjelzőt figyelte, és a karok, szelepek és csapok segítségével beavatkozott. Az emberi szem volt a kijelző olvasója, az emberi kéz volt a vezérlőelem.

Az elektromosság kora: nyomógombok, lámpák és az annunciátor panel

A 19. század végén és a 20. század elején az elektromosság terjedésével az interfész is megváltozott. A mechanikus karok és szelepek mellett megjelentek az elektromos nyomógombok, kapcsolók és jelzőlámpák. A váltás drámai volt: többé nem kellett fizikailag megérinteni a gépet – egy nyomógombbal indíthattál egy motort a szomszéd épületben.

Az ipari kezelőpult születése a 20. század elejére tehető. Jellemző elemei: nyomógombok (START/STOP), forgókapcsolók (sebesség kiválasztása), jelzőlámpák (piros = hiba, zöld = üzem), és analóg műszerek (ammeter, voltmeter, nyomásmérő). Ezek a pultok huzalozott logikával működtek – minden nyomógomb és lámpa közvetlen elektromos vezetékkel kapcsolódott a vezérelt géphez.

Az egyik legfontosabb korai ipari HMI-elem az annunciátor panel volt. Ez egy riasztásjelző rendszer, amelyet az ipari folyamatvezérlésben használtak a kezelők riasztására. Több háttérvilágított ablakból állt, amelyek mindegyikébe a folyamat egy-egy riasztásának nevét gravírozták – például „magas hőmérséklet", „alacsony nyomás", „hűtővíz-áramlás megszűnt".

Az ablakok mögötti izzólámpákat a üzemben elhelyezett érzékelők vezérelték közvetlen huzalozással. Ha a folyamat abnormális állapotba került, a megfelelő ablak villogni kezdett, és csengő vagy kürt szólt. A kezelő elnémíthatta a hangjelzést egy gombbal, és az ablak addig világított, amíg a riasztási feltétel fennállt. A riasztási sorrend szabványos volt – az ISA 18.1 vagy EN 60073 szabványok határozták meg a színeket és a viselkedést.

Az annunciátor panelek drágák voltak, mert dedikált huzalozást igényeltek minden egyes riasztóeszközhöz. Mivel izzólámpákat használtak, mindig volt egy lámpa-tesztelő gomb is, amivel ellenőrizni lehetett, hogy a lámpák működnek-e. Ennek ellenére évtizedeken át az ipari vezérlőtermek meghatározó elemei voltak – és a mintafelismerés előnye miatt (a kezelő egy pillantással látta, melyik ablak világít) egyes kritikus alkalmazásokban a mai napig használják őket.

Ahogy Louis Szabo, a Pepperl+Fuchs üzletfejlesztési menedzsere megjegyezte: még az 1990-es években is sok üzem a nyomógombot tartotta gazdaságosabb megoldásnak a HMI-panelnél. De amikor kiderült, hogy a telepítési költségek alapján egy nyomógomb mintegy 100 dollárnak felelt meg, az elektronikus terminálok nyertek.

A CRT-forradalom: a katódsugárcső betör az iparba

A következő ugrás a katódsugárcsöves (CRT) kijelző ipari alkalmazása volt. A CRT-t Karl Ferdinand Braun német fizikus találta fel 1897-ben – eredetileg oszcilloszkópként, váltóáramú elektromos jelek vizualizálására. Ez volt az első eszköz, ami elektromos jelet valós idejű képpé alakított egy foszforeszkáló képernyőn.

Braun csöve – a „Braun-cső" – egy vákuumcső volt, amelyben egy katód elektronokat bocsátott ki, ezeket elektromos vagy mágneses mezőkkel eltérítették, és egy foszforbevonatú ernyőre vetítették, ahol fénypontot hoztak létre. Ez a technológia hamarosan túllépett az oszcilloszkópon: a 20. század közepére a CRT lett a televízió, a radar és a számítógépes megjelenítés alapja.

Az iparban a CRT kijelzők az 1970-es–1980-as években kezdtek terjedni, a miniszámítógépek és az első ipari számítógépes vezérlőrendszerek (DCS – Distributed Control System) megjelenésével. A CRT-n már nem csak egy-egy riasztás volt látható, hanem teljes folyamatábrák, trendgörbék, riasztáslisták és kezelői parancsok. Ez volt az első igazi „grafikus HMI" – ahol a kezelő egy képernyőn áttekinthette az egész üzemet.

A CRT-alapú rendszerek az 1980-as és 1990-es években szinte teljesen felváltották a hagyományos annunciátor paneleket és műszerpultokat. Ez volt az a korszak, amikor a kezelőterem átalakult: a hatalmas műszerfal helyét néhány CRT monitor vette át, és a kezelő billentyűzettel és egérrel – vagy funkcióbillentyűs kezelőpanellel – irányította a folyamatot.

A szöveg után a grafika: az ipari érintőképernyő születése

Az 1980-as–1990-es évek hozták a következő evolúciós lépést. A szöveges terminálok – amelyeken az operátor előre programozott szöveges üzeneteket olvasott egy kis LCD kijelzőn, és membránnyomógombokkal navigált – lassan átadták a helyüket a grafikus érintőképernyős HMI-knek.

Ez a fejlődés három lépcsőben zajlott – ahogy az iparban szokás mondani, a HMI három generációja:

1. generáció – Pushbutton Replacer (nyomógomb-helyettesítő): Az első HMI-k lényegében digitalizált nyomógombok és jelzőlámpák voltak. Egy kis kijelzőn gombok és LED-ek – de már programozható logikával a háttérben.

2. generáció – Data Handler (adatkezelő): A kijelző már nem csak állapotot mutat, hanem valós idejű és historikus adatokat gyűjt, jelenít meg és naplóz. A kezelő trendgörbéket lát, riasztáslistákat kezel, receptúrákat választ.

3. generáció – Overseer (felügyelő): A HMI már nem egy gépet, hanem egy teljes rendszert – vagy akár több üzemet – felügyel. Riasztások, diagnosztika, KPI-k, távoli hozzáférés – minden egyetlen képernyőről.

1965-ben a brit Royal Radar Establishment fejlesztette ki az első érintőképernyőt. A technológia először a speciális alkalmazásokban (légiforgalmi irányítás, katonai rendszerek) terjedt, és az 1990-es években ért el az ipari vezérléstechnikába. Az ellenállásos (rezisztív) érintőképernyők lettek az ipari szabvány – robusztusak, olajálló kesztyűvel is működnek –, és sok gyártó a mai napig kínál rezisztív paneleket.

A 2000-es évektől a kapacitív érintőképernyők – amelyeket az okostelefonok tettek népszerűvé – szintén betörtek az ipari világba, különösen ott, ahol a multi-touch gesztusok (nagyítás, görgetés) hasznosak.

Ma és holnap: széles képernyők, IIoT és mesterséges intelligencia

2026-ban a HMI már nem az a kis monokróm kijelző, amit a '90-es években ismertünk. A mai ipari érintőpanelek széles képernyős, nagy felbontású, 24 bites színes TFT LCD kijelzők, amelyeket iparilag megkeményített alumínium vagy acél házba építenek. A technológia mára annyira fejlett, hogy egyetlen HMI panel több tucat PLC-vel kommunikálhat, valós idejű adatokat jelenít meg, historikus trendeket tárol, és az IIoT (Industrial Internet of Things) révén akár felhőszolgáltatásokkal is kapcsolódik.

A fejlődés legújabb irányai:

Mobil HMI: Táblagépen vagy okostelefonon futó HMI-alkalmazások. Egy nagy üzemben a kezelőnek nem kell negyedmérföldet sétálni a vezérlőpultig – a tableten nézi az adatokat.

Headless HMI: A HMI processzora egy kis dobozban van, és Ethernet-kábelen keresztül nagy képernyőkre – akár 75 colos monitorokra – küldi a képet. A karbantartó műhelyben, az irodában, a tárgyalóteremben – mindenhol látható az üzem állapota.

Edge computing: A HMI egyre inkább „peremeszközzé" (edge device) válik – az IIoT és az OT (Operational Technology) összekapcsolásának csomópontjává. A PLC-k futtatják a vezérlést, de a HMI gyűjti, feldolgozza és továbbítja az adatokat a felhőbe.

Mesterséges intelligencia: Az AI-alapú HMI-k a jövőben nem csak megjelenítik az adatokat, hanem értelmezik – prediktív karbantartás, anomália-detektálás, automatikus riasztás-priorizálás. A kezelőnek nem kell százas riasztáslistákat böngésznie – a rendszer kiemeli, mi a fontos.

7 000 év, egy táblázatban

Ami végig nem változott

Az emelőtől az érintőképernyőig 7 000 év telt el. A technológia felismerhetetlenül megváltozott. De egy dolog ugyanaz maradt: az ember szüksége arra, hogy lássa, mi történik, és beavatkozhasson, ha kell.

A gőzgép kezelője a nyomásmérőt nézte és a szelepet tekerte. A mai operátor az érintőpanelt nézi és a képernyőn állít. A feladat változatlan: megérteni a folyamatot, észlelni a problémát, és beavatkozni, mielőtt baj lesz.

A jó HMI ennek a feladatnak a szolgája. Nem az a kérdés, hány pixele van, hanem az, hogy a kezelő pillanatok alatt átlátja-e az üzem állapotát, és gyorsan tud-e reagálni. Ahogy Mark Gentry, a Gentry Controls alapítója mondta, amikor megkérdezte ügyfeleit, mit várnak egy HMI-től: az egyhangú válasz az volt, hogy a legfontosabb, hogy amikor valami leáll, a HMI azonnal megmutassa, mi az és miért.

Flexem HMI – a történet folytatódik

A PLCszerviz által forgalmazott Flexem ipari érintőpanelek ennek a 7 000 éves fejlődésnek a mai állomását képviselik. Széles képernyős TFT LCD, ipari szintű érintőképernyő, több tucat PLC-protokoll támogatása (Modbus, Ethernet/IP, Siemens S7, Mitsubishi, Omron és mások), USB és Ethernet csatlakozás, recept-kezelés, riasztásnaplózás, trendgörbék.

De ami igazán fontos: a Flexem HMI-k ingyenes programozószoftverrel érkeznek, amelyben drag-and-drop módszerrel, magyar nyelvű felületen tervezheted meg a kezelői képernyőidet. Nem kell mérnöki diploma hozzá – de ha mégis segítség kell, a PLCszerviz HMI tanfolyamot is kínál.

Az ember-gép kapcsolat története nem technológiatörténet. Emberek története – akik mindig is tudni akarták, mi történik a gépeikkel, és irányítani akarták őket. Az emelő karja, a nyomásmérő mutatója, az annunciátor villogó lámpája, a CRT foszforeszkáló pontja és az érintőpanel pixele – mind ugyanazt a célt szolgálja: hogy az ember és a gép megértsék egymást.

Források

Control Engineering: Information systems – The evolution of the HMI
Wikipedia: Annunciator panel
Wikipedia: Cathode ray tube