開源人機界面HMI軟件可行嗎？

導(dǎo)讀

開源HMI軟件可以大大縮短開發(fā)時間，但需要企業(yè)內(nèi)部具有專業(yè)技術(shù)人員，可以在未來進行修改或修復(fù)。

文章信息

我們設(shè)計和建造的所有包裝設(shè)備上的人機界面（HMI）傳統(tǒng)上都是由軟件決定的。隨著客戶不斷要求提高所有組件的互操作性，我們正在研究開源HMI軟件。它的優(yōu)點和缺點是什么?還有可能需要哪些額外的硬件?

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定義HMI：它還是硬件嗎？

在每個人的口袋里都有智能手機之前，工業(yè)人機界面(HMI)可能是人們與觸摸屏設(shè)備的唯一交互方式。這很瘋狂，對吧?在那個年代，HMI是一個嚴(yán)格意義上的硬件，通過你最喜歡的現(xiàn)場總線連接到PLC。

兩端的開發(fā)都是通過專有軟件進行的，工程師們成為了如何正確映射數(shù)據(jù)寄存器的專家，而且非常固執(zhí)己見。如今，人機界面可以有多種形式。許多傳統(tǒng)的HMI已經(jīng)存在多年，但對現(xiàn)代界面、互操作性和可移植性的需求意味著專用的HMI模式正在受到威脅。

許多用戶更喜歡熟悉的手機或平板電腦界面，以及現(xiàn)代應(yīng)用程序設(shè)計的流暢美感。如果你是一名設(shè)施操作員，你需要HMI是直觀和高效的；如果你是一個原始設(shè)備制造商，HMI可能是你與客戶最頻繁接觸的點，也是你的機器設(shè)備的代言人。

那么，為什么要開源呢？難道因為它是免費的嗎？顯然并不全是。

首先，讓我們來定義一下 “開源” 這個詞。簡單地說，開源通常是指免費提供原始源代碼的軟件，并可以重新分發(fā)和修改。開源的一個流行說法是，它代表自由和準(zhǔn)入，并不意味著是沒有成本，因為使用開源工具的責(zé)任轉(zhuǎn)移到了負(fù)責(zé)實施這些工具的開發(fā)者身上。這需要理解、經(jīng)驗和時間。

許多為Web應(yīng)用程序、超級計算機甚至互聯(lián)網(wǎng)本身提供動力的技術(shù)都是開源的。這包括大量的開發(fā)工作，如Linux和Node-RED。Node-RED這樣的平臺正在改變我們對用戶界面開發(fā)的看法。它為許多想要使用最新工具來構(gòu)建他們的機器可視化，但缺乏編寫HTML5或typescript的技能和經(jīng)驗的用戶提供了訪問權(quán)限。

Node-RED是一個低代碼量的環(huán)境，它使用Node.js，一個基于JavaScript編程語言的運行環(huán)境。這個環(huán)境使用了HTML5、Vue.js、React.js。它是如此容易使用，以至于開發(fā)人員可以在幾分鐘內(nèi)完成從首次互動到概念驗證的過程。

開源的真正力量在于它可以像搭積木一樣工作。例如，可視化需要數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)需要被儲存在某個地方，這些數(shù)據(jù)也需要被運輸。

有很多工具可以使用，例如Eclipse Mosquitto，一個實現(xiàn)了消息隊列遙測傳輸協(xié)議（MQTT）的開源消息代理；以及InfluxDB，一個時間序列數(shù)據(jù)庫。所有這些都在Linux上運行，協(xié)同工作以構(gòu)建令人驚嘆的交互式工業(yè)界面。

再加上易于配置的儀表盤工具，如Grafana或Chronograf；它們都是可擴展的，并且可以從大量使用它們的社區(qū)中獲得可用的貢獻。也許對HMI平臺最重要的演變是引入了Linux，它提供了一個重要的畫布來創(chuàng)建一個多樣化和高功能的界面。

那么，如何開始? “如果你已經(jīng)使用Linux和瀏覽器實現(xiàn)設(shè)備，那么你就可以馬上開始了，不需要其他硬件?！?strong>萬可公司Linux 和 IIoT 高級應(yīng)用工程師Jesse Cox說，“安裝Node-RED，并開始用一個簡單的基于瀏覽器的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）構(gòu)建界面。導(dǎo)入儀表板節(jié)點以將組件添加到Web用戶界面(UI)，你將驚訝于構(gòu)建交互式UI的速度之快。如果你的HMI有一個瀏覽器，那么你可以把它指向你的Node-RED實例，然后你可能永遠(yuǎn)不會再以同樣的方式看待閉源HMI解決方案了?！?/p>

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節(jié)省預(yù)算和開發(fā)時間

在HMI中使用開源軟件有三個優(yōu)勢。

? 首先，也是最明顯的一點是，很多開源軟件（OSS）是免費的，這為用戶帶來了直接的預(yù)算節(jié)省。

?其次，在節(jié)省預(yù)算的同時，減少了編程/開發(fā)時間。一旦開發(fā)出應(yīng)用程序，就可以很容易地將其轉(zhuǎn)換為共享相同軟件的不同硬件平臺。

?最后是能夠從幾個潛在的硬件平臺中自由選擇，為更廣泛的產(chǎn)品范圍打開大門，用戶可能能夠找到真正完全符合他們需求的非常具體的硬件，如具有IP67的設(shè)備或食品和飲料批準(zhǔn)的設(shè)備（圖1）。

對于工業(yè)HMI應(yīng)用來說，需要考慮的最大缺點可能是技術(shù)支持。圖爾克公司產(chǎn)品經(jīng)理Roberto Solis認(rèn)為，對于授權(quán)軟件，與開發(fā)該產(chǎn)品的供應(yīng)商有一個直接的技術(shù)支持聯(lián)系是相當(dāng)普遍的。該供應(yīng)商可以幫助用戶加快解決問題，并處理過程中出現(xiàn)的任何問題，而使用開放源碼軟件可能更難找到一個具體的聯(lián)系人來提供支持。在購買之前要考慮這一點，是否明確指出了誰來提供支持？

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硬幣的另外一面

毫無疑問，開源軟件，更確切地說，自由和開源軟件（FOSS）運動給自動化專業(yè)人員提供了很多新的選擇。但在選擇適合的開源軟件解決方案時，其中的陷阱和缺點也需要注意。

并不是所有的開源軟件都是零成本的，而且有時零成本的解決方案最終可能是最昂貴的。許多公司提供混合型產(chǎn)品，其中既有免費的社區(qū)版，也有收費的功能更豐富的版本。或者他們會提供有償?shù)闹С?。這些選擇中有許多是優(yōu)秀的解決方案，但其背后的公司有明顯的動機鼓勵用戶遷移到付費版本。如果付費版本的成本太高，從長遠(yuǎn)來看，遷移到免費版本可能是浪費精力。

對于那些確實是零成本的解決方案，而且有許多非常有用和強大的例子，值得花一些時間考慮誰在支持這個項目以及為什么。此外，你需要評估一下，你愿意在多大程度上深入了解。

當(dāng)出現(xiàn)問題時，你將不得不依靠內(nèi)部資源或圍繞項目的社區(qū)。許多這樣的項目都有一個活躍的社區(qū)隨時準(zhǔn)備提供幫助，但有些項目會隨著時間的推移而失敗，在這種情況下，您必須自己維護或忍受轉(zhuǎn)換為其他問題的痛苦。

這些問題當(dāng)然也存在于閉源項目中。在閉源解決方案中，沒有辦法自己修復(fù)一些東西；你完全依賴供應(yīng)商提供的更新。如果你訪問許多開源項目的源代碼庫，通常會發(fā)現(xiàn)一長串需要修復(fù)的bug。對于一個閉源項目來說，毫無疑問，類似的清單也是存在的；您只是沒有機會接觸到它，也沒有可能自己跳進去修復(fù)某些問題。

硬件是另一種考量。Maple Systems公司工程師Mike Sheldon談道，閉源軟件往往將用戶鎖定在一個特定的硬件供應(yīng)商。而開源解決方案，您可以貨比三家，使您的產(chǎn)品來源多樣化，并有可能降低成本。然而，這也需要用戶承擔(dān)起驗證兼容性的責(zé)任。企業(yè)需要什么樣的操作系統(tǒng)？是否有驅(qū)動程序或軟件包需要安裝？處理器的速度和結(jié)構(gòu)是否足夠？使用一個需要特定硬件的閉源解決方案，可以省去一些決策環(huán)節(jié)。

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開源需要內(nèi)部專業(yè)知識

對于所有類型的應(yīng)用，包括工業(yè)HMI軟件，與使用專有軟件相比，開源軟件可以提供很多優(yōu)勢，例如，用戶可以自由地修改源代碼，使他們有完全的靈活性來根據(jù)環(huán)境定制應(yīng)用程序；通常情況下，任何許可和維護費用都比市面上的軟件成本低。但用戶也需要在使用開源方法之前意識到其缺點。

開源的主要缺點，包括：修改源代碼需要專業(yè)技能；用戶可能需要為文檔、媒介和支持付費。用戶必須意識到開源軟件許可有不同的變體，其中一些比其他的更具限制性。需要進行仔細(xì)的軟件許可證審查，以便清楚地了解人們可以用開源軟件做什么和不能做什么。

此外，維護成本也可能是一個問題，因為用戶要依靠開源社區(qū)來支持該軟件。在生產(chǎn)環(huán)境中，業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險很高，缺乏即時支持可能是一個大問題。如果社區(qū)不支持新的操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序、功能、硬件平臺和安全漏洞的修復(fù)，那么維護軟件的責(zé)任就落在了終端用戶身上。

另一個重要的問題是，開源軟件有許多選擇，并且有許多不同的組合。終端用戶必須建立一個軟件標(biāo)準(zhǔn)，以確保整個公司都在同一個版本上，這樣就很容易維護開源軟件。

同樣，版本控制也是開源軟件應(yīng)該考慮的另一個因素。新的開源軟件發(fā)布頻率很高，有時是每周發(fā)布一次。每個新版本都必須與現(xiàn)有的應(yīng)用程序和硬件進行測試，以確保解決方案適當(dāng)?shù)剡\行。另一項任務(wù)是驗證新版本不包含任何病毒或惡意軟件。

與開源軟件相比，ADISRA公司首席技術(shù)官Bruno Crepaldi認(rèn)為，專有軟件有其優(yōu)勢，即供應(yīng)商負(fù)責(zé)維護該軟件及其與其他軟件包（如數(shù)據(jù)庫）的整合。供應(yīng)商還為客戶提供專業(yè)的主題資源，如培訓(xùn)、支持和咨詢。這對于終端用戶可能需要參與額外支持的HMI項目非常重要。

專有軟件的另一個優(yōu)勢是，供應(yīng)商因為與許多客戶交流，并了解最新的軟件趨勢，因此會定期添加新的功能和需求，從而使得軟件能夠不斷發(fā)展。對于HMI軟件，這有助于確保最重要的功能始終可用（圖2）。

▲圖 2：HMI 軟件為部署和連接提供了開放的靈活性，但需要確保最終用戶得到技術(shù)和安全更新的支持。

此外，專有軟件供應(yīng)商還負(fù)責(zé)支持新的操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序、功能和硬件平臺，并解決任何安全問題。他們對客戶負(fù)責(zé)，以確保有一條通向新平臺或添加HMI軟件功能的升級路徑。

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平衡總擁有成本

設(shè)計的關(guān)鍵要素之一是了解終端用戶喜歡什么。在許多情況下，企業(yè)希望根據(jù)以前安裝的設(shè)備或熟悉的程度來選擇特定的HMI。在考慮開源開發(fā)平臺時，這可能會限制可用的選擇，因為大多數(shù)HMI是特制的，需要一個特定的、商業(yè)上可用的開發(fā)平臺。

當(dāng)有使用開源開發(fā)平臺的需求時，有兩個關(guān)鍵優(yōu)勢:靈活性和許可成本。由于可以獲得開發(fā)軟件的源代碼，因此可以對軟件進行全面控制和配置。一個技術(shù)嫻熟的工程師將能夠根據(jù)更獨特的最終用戶體驗創(chuàng)建軟件，或根據(jù)客戶要求定制解決方案。

開源軟件通常意味著沒有開發(fā)軟件的許可費用。這可能是一個優(yōu)勢，但將取決于實施情況。大多數(shù)開源解決方案將需要一個以進程間通信（IPC）為中心的解決方案，這可能需要額外的設(shè)備，如不間斷電源、數(shù)據(jù)集中器、主機或屏幕，這將抵消節(jié)省的費用。

對于開發(fā)者和終端用戶來說，在考慮開源平臺時，BW Packaging Systems公司數(shù)字創(chuàng)新項目經(jīng)理Joe Ambrose認(rèn)為，總擁有成本（TCO）始終很重要。有必要考慮一個組織是否有合適的軟件和控制工程師來支持系統(tǒng)的開發(fā)和維護，因為從長遠(yuǎn)來看，這可能是一筆很大的開支。對團隊進行培訓(xùn)并適當(dāng)配備人員可能會占用解決方案開發(fā)的大量資源。

除了成本之外，可能還有一些其他的技術(shù)考慮，包括容錯性、安全性和附加軟件。例如，開源軟件可能不支持所需要的PLC通信協(xié)議，需要額外的軟件將其轉(zhuǎn)換為所支持的格式。

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考慮開源項目的必要性

在考慮采用任何技術(shù)時，重要的是要權(quán)衡取舍。對于開源項目來說尤其如此。評估功能的好處和使用現(xiàn)有代碼庫的風(fēng)險是很重要的，因為你的專業(yè)知識可能有限。有一些穩(wěn)定的開源代碼庫(如MQTT)是很好的例子，它們具有廣泛的市場應(yīng)用。

在考慮開源時，羅克韋爾自動化公司可視化平臺負(fù)責(zé)人Steve Briant建議，應(yīng)當(dāng)詢問可用的功能是否能滿足你的需求或是否需要擴展。如果它需要擴展，問問自己，開放源碼是否有很好的文檔，你是否有專業(yè)知識來擴展它？

你還需要考慮許可模式。一些開源項目要求將任何修改貢獻給該開源項目。你還應(yīng)該考慮開源項目的采用情況或受歡迎程度。采用率有限的開源項目可能會很慢，無法做出任何改變或改進。除非您準(zhǔn)備為項目提供資源以解決這些問題，否則無論功能如何，開源可能不是最適合的方法。

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開放系統(tǒng)的測試和認(rèn)證

開源 HMI 軟件使任何人都可以查看和更改驅(qū)動 HMI 功能的源代碼。理論上，它將允許機器設(shè)計者，甚至是客戶，有能力對HMI的功能和它可能具有的功能進行修改。

傳統(tǒng)的HMI通常有一個封閉系統(tǒng)。在這個封閉的系統(tǒng)中，只有HMI的制造商可以修改底層的源代碼，改變特性和功能。與開放系統(tǒng)相比，客戶對操作選項的選擇更為有限。

雖然可以更改底層源代碼，使HMI功能聽起來很吸引人，但有充分的理由表明，今天使用的大多數(shù)HMI都是封閉系統(tǒng)。歐姆龍 HMI、IPC、控制器和軟件產(chǎn)品經(jīng)理Clark Kromenaker認(rèn)為，開源意味著任何受過任何水平訓(xùn)練的人都可以修改HMI的操作方式，這可能為引入低級編程錯誤、函數(shù)錯誤或惡意軟件提供了機會。

在開放系統(tǒng)中，大多數(shù)情況下，功能測試、安全、功能批準(zhǔn)和任何認(rèn)證將由開放系統(tǒng)設(shè)計者決定。在封閉系統(tǒng)中，這是由HMI制造商負(fù)責(zé)處理的。

通過購買包括來自同一制造商的控制系統(tǒng)、HMI、I/O 和其他組件的系統(tǒng)解決方案，可以獲得最佳的互操作性和安全性。完整解決方案提供商將確保對所有可用功能的最佳訪問?？桃鈱⒉煌瑥S家的控制器、開放式或封閉式HMI或I/O混合在一起，將使集成和使用每個控制組件的最佳功能的能力變得復(fù)雜。

對于開源HMI系統(tǒng)，可能需要Visual Basic、c++等開發(fā)工具或底層編程工具，甚至可能需要開發(fā)PC機。對于封閉式HMI系統(tǒng)，通常使用更高級別的配置包來選擇系統(tǒng)需要的對象和功能。

關(guān)鍵概念：

■開源 HMI 軟件使任何人都可以查看和更改驅(qū)動 HMI功能的源代碼。

■并不是所有的開源軟件都是零成本的。

思考一下：

您會在工廠中部署開源 HMI 系統(tǒng)嗎？

審核編輯：劉清