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UC · Unidade de Competência · UC02941

UC02941 · HMI — Interface homem-máquina

Touch panels, SCADA, design e programação
25h · 2.25 pontos crédito Curso: T. Mecatrónica ↗ Referencial oficial SNQ
Índice

Introdução

O HMI (Human-Machine Interface) é a ponte entre operador e máquina/processo. Substituiu (e complementa) os painéis físicos de botoeiras e lâmpadas tradicionais, dando ao operador: - Visualização gráfica rica. - Comando intuitivo. - Diagnóstico integrado. - Histórico de eventos.

Esta unidade (25h) cobre os fundamentos: touch panels industriais, software SCADA, princípios de design, programação prática com Siemens WinCC, e manutenção.

1. Conceitos HMI

1.1 O que é HMI

HMI (Human-Machine Interface) = qualquer interface entre humano e máquina: - Painéis físicos (botões + lâmpadas) — HMI tradicional. - Touch panels — HMI moderno (dominante). - PCs com software — SCADA / supervisão. - Mobile — HMI em telemóvel/tablet.

1.2 Funções

  1. Visualização:
  2. Estado actual da máquina/processo.
  3. Valores de variáveis (temperaturas, pressões, contadores).
  4. Posições de cilindros, motores.

  5. Trends (gráficos histórico).

  6. Comando:

  7. Botões virtuais (start, stop, reset).
  8. Sliders e inputs numéricos (setpoints, parâmetros).

  9. Selectores (modos: auto/manual).

  10. Configuração:

  11. Parâmetros de operação.
  12. Receitas (sets de parâmetros para diferentes produtos).

  13. Limites de alarme.

  14. Diagnóstico:

  15. Lista de alarmes activos.
  16. Histórico de eventos.
  17. Estado dos I/Os.
  18. Estatísticas (OEE, contadores).

1.3 Hierarquia

ERP / Empresa
   ↑↓ dados estratégicos
MES / Production execution
   ↑↓ dados de produção
SCADA / Supervisor
   ↑↓ dados operacionais (centenas/milhares de variáveis)
HMI local (touch panel na máquina)
   ↑↓ dados específicos da máquina
PLC / Controlador
   ↑↓ I/O em tempo real
Máquina física

Cada nível serve audiência diferente: - HMI local: operador da máquina. - SCADA: supervisor de sala. - MES/ERP: gestores.

2. Touch panels industriais

2.1 Tipos por gama

Basic Panels (PMEs, máquinas standard): - 4-15". - Touch resistivo (premível com luvas). - Conectividade básica (Profinet, Modbus TCP). - Custo: 200-1000 €. - Ex: Siemens KTP400 Basic, KTP700 Basic.

Comfort Panels (indústria média-pesada): - 7-22". - Touch capacitivo (multi-touch). - Conectividade ampla. - Mais memória, mais variáveis. - Custo: 1000-5000 €. - Ex: Siemens TP Comfort, KP Comfort.

Industrial PC com HMI: - PC industrial robusto + software (WinCC RT, FactoryTalk, etc.). - Ecrãs 19-32" típicos. - Sala de controlo. - Custo: 3000-15 000 €. - Maior flexibilidade.

2.2 Características técnicas

2.3 Marcas dominantes

Siemens: - KTP4/7/9/12 Basic: gama económica. - TP/KP Comfort: gama média. - MP Multi Panel (legado): gama alta.

Schneider Electric (Magelis): - HMI ST: básico. - HMI GTU: avançado.

Allen-Bradley (Rockwell): - PanelView 800/5000: gamas média/alta.

Pro-face (Schneider): - GP4000, SP5000.

Wonderware / Aveva: - Software InTouch para PCs industriais.

Em Portugal, Siemens é dominante, seguido de Schneider.

2.4 Comunicação HMI ↔ PLC

Profinet: - Standard Siemens. - Cabo Ethernet. - Configuração no TIA Portal.

EtherNet/IP: - Standard Allen-Bradley. - Configuração no Studio 5000.

Modbus TCP: - Universal. - Funciona com qualquer PLC que tenha Modbus.

OPC UA: - Moderno, agnóstico de fabricante. - Cifragem + autenticação integradas. - Standard emergente.

Cabos e topologia: - Cabo Ethernet directo (PLC ↔ HMI) ou via switch industrial. - Distância máxima: 100 m por segmento (sem repetidor). - Topologia: estrela, linha ou anel (com switches MRP).

3. SCADA

3.1 Conceito

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition): - Software num PC industrial ou servidor. - Visualização e controlo de instalação inteira. - Centraliza dados de múltiplos PLCs. - Standard em fábricas médias-grandes.

3.2 Componentes típicos

SCADA Architecture:

  ┌──────────────────────────────────┐
  │   SCADA Server                    │
  │   - Database (histórico)         │
  │   - Alarm engine                  │
  │   - Trend engine                  │
  │   - Web server                    │
  │   - User management              │
  └────┬─────────────────────────┬───┘
       │                         │
       │ OPC UA / Modbus TCP     │ HTTP / web
       ▼                         ▼
  ┌──────────┐              ┌──────────┐
  │  PLCs   │              │ Clientes  │
  │ chão     │              │ (PCs)     │
  └──────────┘              └──────────┘

3.3 Softwares SCADA

Comerciais:

Open Source:

Moderno (cross-platform):

3.4 Funcionalidades

3.5 Implementação SCADA

Fase 1 — Análise: - Inventário dos PLCs. - Lista de variáveis a monitorizar. - Requisitos de utilizadores.

Fase 2 — Selecção: - Software conforme tamanho (Wonderware para grande, WinCC para Siemens, Ignition para multi-vendor). - Hardware servidor + clientes.

Fase 3 — Desenvolvimento: - Ecrãs. - Tags e comunicação. - Alarmes. - Trends. - Reports.

Fase 4 — Comissionamento: - Teste em ambiente isolado. - Testes online. - Treinamento de operadores.

Fase 5 — Operação: - Suporte contínuo. - Optimização.

Investimento típico: 10-100 000 € para PME, 100-500 000 € para indústria pesada.

4. Design de interfaces

4.1 Princípios

1. Clareza: - Informação essencial visível imediatamente. - Não sobrecarregar ecrã. - Hierarquia visual: o mais importante mais visível.

2. Consistência: - Cores standard (ISA-101). - Posições standard (botões de comando na direita, indicadores no centro). - Vocabulário consistente. - Iconografia padronizada.

3. Feedback: - Toda acção do utilizador deve ter resposta visual imediata. - Confirmação para acções críticas. - Mostrar processamento em curso (animação, sand timer).

4. Ergonomia: - Botões grandes (40×40 px mínimo, premíveis com luva). - Texto legível (16+ pt para títulos, 12+ pt para texto). - Contraste suficiente (texto/fundo). - Cores não confundíveis por daltónicos (verde/vermelho com forma adicional).

5. Erro-tolerância: - Confirmação para acções destrutivas (apagar, parar produção). - Undo se possível. - Avisos claros antes de operações irreversíveis.

4.2 Standards ISA-101

A norma ISA-101 define melhores práticas para HMI industrial:

Cores standard:

Cor Significado
Verde Operação normal (estado activo, em funcionamento)
Amarelo Aviso, atenção, em alarme moderado
Vermelho Alarme crítico, paragem, perigo
Azul Informação geral, controlo
Cinza Estado inactivo, desligado, não disponível
Branco Texto, valores estáticos
Preto Outlines, texto sobre fundo claro

Cor de fundo recomendada: cinza claro (RGB 200,200,200). - Branco: cansa olhos em sessão longa. - Preto: perde contraste em alguns ambientes (luz solar). - Cinza claro: equilíbrio.

Hierarquia de alarmes: - Crítico: vermelho + som + piscar. - Alto: vermelho + som. - Médio: amarelo + som. - Baixo: amarelo. - Aviso: azul.

4.3 Layout típico

┌────────────────────────────────────────────────────┐
│ [Logo]  STATUS GERAL          11:32  [User] [Lang] │  Header
├────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                    │
│   ────────────────────────────────                 │
│   │                                │                │
│   │   ÁREA PRINCIPAL              │                │
│   │   - Mímica da máquina         │                │
│   │   - Valores essenciais        │                │
│   │   - Trends                    │  Área principal│
│   │                                │                │
│   ────────────────────────────────                 │
│                                                    │
│   [START]  [STOP]  [RESET]                          │  Controlo
│                                                    │
├────────────────────────────────────────────────────┤
│ [Op] [Manual] [Alarmes] [Receitas] [Config]       │  Navegação
├────────────────────────────────────────────────────┤
│ ⚠ 3 alarmes activos | 12% CPU | 50ms scan        │  Footer
└────────────────────────────────────────────────────┘

4.4 Tipos de ecrã

Operação (ecrã principal): - Mímica da máquina/processo. - Estado actual (visual). - Valores essenciais. - Botões de operação.

Manual / Comissionamento: - Comando individual de cada actuador. - Estado de cada sensor. - Para teste e diagnóstico.

Alarmes: - Lista de alarmes activos. - Histórico de alarmes. - Reset / acknowledge.

Trends: - Gráficos histórico das principais variáveis. - Configuráveis (zoom, período, variáveis).

Receitas: - Selecção de produto. - Visualização e edição de parâmetros. - Salvar / carregar.

Configuração: - Parâmetros do sistema (password protegido). - Setpoints de controlo. - Limites de alarmes.

Diagnóstico: - Estado de I/Os. - Estado da comunicação. - Versões de software. - Estatísticas (OEE, contadores).

4.5 Erros comuns

5. Programação Siemens WinCC

5.1 Versões

Todos integrados no TIA Portal.

5.2 Workflow

  1. Adicionar HMI ao projecto TIA Portal:

  2. Project tree → Add new device → HMI → seleccionar modelo (KTP700 Basic, etc.).

  3. Configurar conexão com PLC:

  4. Network View → arrastar linha entre PLC e HMI.

  5. Definir Profinet como protocolo.

  6. Definir Tags:

  7. Tag table → adicionar variáveis a partilhar com PLC.

  8. Cada tag tem nome, tipo (BOOL, INT, REAL), endereço PLC.

  9. Desenhar ecrãs:

  10. Screen → criar novo.

  11. Arrastar objetos da Toolbox:

    • I/O Field: input/output de valor.
    • Button: comando.
    • Library (símbolos): bombas, motores, válvulas.
    • Trends: gráficos.
    • Alarm view: lista de alarmes.

  12. Associar objectos a tags:

  13. Clicar objecto → Properties → Connection → seleccionar tag.

  14. Animar objectos:

  15. Cor muda conforme estado (verde se ON, cinza se OFF).
  16. Visibilidade.

  17. Movimento.

  18. Definir alarmes:

  19. Alarm settings → Configuring discrete alarms / analog alarms.

  20. Configurar limite, mensagem, gravidade.

  21. Configurar histórico:

  22. Logging tags para gravar.

  23. Configurar frequência de amostragem.

  24. Compilar e descarregar:

  25. Compile (Ctrl+B).
  26. Download to HMI device.

5.3 Objectos típicos

I/O Field (visualizar/editar valor): - Configurar formato (decimais, unidade). - Limites (mín, máx). - Permissões (read-only ou editável).

Button (botão): - Acção: Set bit, Reset bit, Pulse bit, Set value, etc. - Aspecto: cor, texto. - Tag associada.

Lamp / Indicador: - Cor conforme valor da tag. - Estado: aceso / apagado / piscar.

Symbol library: - Biblioteca pré-feita: motores, bombas, válvulas, tubagens, tanques. - Animação automática (mudam cor conforme estado).

Trends: - Configurar variáveis a gravar. - Eixos X (tempo) e Y (valor). - Zoom, scroll histórico.

Alarm view: - Lista alarmes activos. - Histórico. - Acknowledge.

Recipes view: - Lista de receitas guardadas. - Editar. - Aplicar.

5.4 Funções avançadas

Multilingue: - Definir línguas (PT, EN, ES, FR, ...). - Cada texto traduzível. - Operador alterna no HMI.

Permissões de utilizador: - Operador (apenas operação). - Manutenção (operação + manual + diagnóstico). - Administrador (tudo + configurações). - Password por nível.

Receitas: - Definir conjuntos de parâmetros. - Aplicar receita selecciona valores no PLC automaticamente. - Reduz tempos de mudança de produto.

Reports: - Gerar PDF automaticamente. - Conteúdo: produção do turno, alarmes do dia, OEE.

Scripts: - VBS (Visual Basic Script) ou C-script. - Para lógica complexa não suportada por configuração.

6. Manutenção

6.1 Plano

Mensal: - Limpeza do ecrã touch (pano húmido, sem solventes agressivos). - Verificar conector Ethernet (apertado, sem oxidação). - Limpeza dos arquivos de log (manter histórico mas não saturar memória).

Trimestral: - Backup do projecto TIA Portal (PLC + HMI). - Verificar tempo de resposta dos ecrãs (deve ser < 1s para navegação).

Anual: - Substituir bateria interna do relógio (se HMI a tiver — 3-5 anos vida útil). - Calibração do touch (em modelos resistivos, pode desviar com tempo). - Avaliar actualização de firmware (com cuidado — testar em ambiente isolado primeiro). - Re-validar funcionalidades críticas após qualquer alteração.

6.2 Avarias comuns

Sintoma Causa(s) provável(eis) Acção
Touch não responde Calibração desviada, ecrã sujo, touch avariado Limpar, recalibrar, substituir HMI
Ecrã preto / sem imagem Backlight queimada, alimentação Verificar tensão, substituir backlight ou HMI
Comunicação cai Cabo Ethernet, IP errado, switch industrial Verificar cabo, reconfigurar IP
Alarmes não aparecem Configuração, tags Verificar configuração no TIA Portal
HMI travado Pouca memória, bug software Reset hardware, optimizar projecto
Gráficos lentos Demasiada actualização, muitos pontos Reduzir frequência, limitar amostras
Botões não respondem Tags mal configuradas, permissões Verificar configuração

6.3 Backup

Crítico: backup do projecto HMI tão importante como do PLC.

O que guardar: - Projecto TIA Portal completo (PLC + HMI). - Imagens customizadas (logos, fotografias). - Símbolos customizados (se não da biblioteca). - Receitas salvas. - Configuração de utilizadores e passwords. - Configurações de comunicação (IPs). - Documentação (manual do operador, etc.).

Onde: - PC do programador. - Servidor da empresa. - Cloud (cifrado).

Frequência: após cada alteração significativa.

6.4 Substituição

Quando HMI avaria, substituir rapidamente:

  1. Comprar HMI idêntico (mesma referência).
  2. Configurar IP inicial via TIA Portal (cabo USB ou Ethernet directo).
  3. Descarregar projecto do backup.
  4. Verificar comunicação com PLC.
  5. Validar todas as funcionalidades.
  6. Documentar substituição.

Tempo: 1-4h se backup actualizado.

Apêndice A · Boas práticas

Em design: - Manter consistência visual. - Hierarquia clara. - Cores ISA-101. - Testar com operadores reais.

Em programação: - Documentar tags com nomes significativos. - Usar bibliotecas para reutilização. - Modularidade (1 ecrã por área). - Reset automático de sessão por inactividade.

Em manutenção: - Backup religiosamente. - Documentação actualizada. - Treinar técnicos.

Em segurança: - Passwords fortes. - Permissões por utilizador. - Audit log das acções. - Rede industrial separada da corporativa.

Apêndice B · Glossário

Apêndice C · Recursos

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