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软硬架构同步进化 新世代HMI已然成型
 

【作者: 王明德】2019年04月15日 星期一

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图1 : (source:B&R Industrial Automation)
图1 : (source:B&R Industrial Automation)

在全球人力成本日渐高昂,制造业对自动化技术的倚赖越来越深,外在的市场需求提升与内部技术的快速进展,让生产设备在制造业的体系中,产生了与以往截然不同角色变化,其中长期以来均扮演人机两端介接桥梁的HMI,也在这波变革中有了重新定位。


过去HMI向来与SCADA相互搭配,呈现系统的运作状况,後来触控技术逐渐成熟,HMI的输入更为简易,传统的按键式开关开始被部份取代,HMI成为设备的操作介面,时至今日,这仍是多数制造现场的HMI主要使用方式。


开放式架构 打造新世代HMI

这两年「智慧制造」概念兴起,作为制造设备唯一的显示介面,HMI的角色再次产生变化,由於「智慧制造」系统讲究高整合,以利於与系统中的其他子系统相互链结,高整合需求刺激出此新世代HMI的特色,包括相容性、可网路远端监控…等,而这些特色的形成,都指向同一个来源━「开放性架构」,由於采取开放性架构,所有系统的技术都取材於市面上已成熟的共通技术,因此系统之间的彼此可无缝相容,当系统要重组或扩充时如加入网路远端监控,也可以轻易变动。



图2 : 目前HMI最主要的应用仍为工业自动化产业。(source:Kob-Flex)
图2 : 目前HMI最主要的应用仍为工业自动化产业。(source:Kob-Flex)

开放式架构不单指硬体,新世代HMI的软体对开放性的需求完全不低於硬体,由於智慧制造讲究高整合,现在制造端的软体也需与後端管理系统像是ERP、MES连结,让系统内所有资讯不但可以无障碍的快速流动,而且这些资讯都被化为易於读取、交换的数据,让人与机器更容易沟通,也让机器与机器之间有了统一且便捷的讯息转换介面。


这种资讯整合的「可视化」已成为HMI的发展趋势,从单纯的显示资讯到复杂生产系统前後端间的连接点,HMI必须能从不同系统中,存取需要资讯以供使用者叁考,因此软体的强化连结与资讯传输的扩充,已成为现在在工厂自动化系统的HMI选购着力点。


业者指出,从近几年的发展趋势来看,HMI的硬体技术已然成熟,目前的技术足敷系统业者使用,因此未来HMI的市场竞争将会以软体为主,过去在封闭的环境系统进行整合,可能需要添加多种设备才能完成通讯整合,在现在开放的架构下,由於资讯的处理较为透明,反而更能跨领域涵盖自动化的整合及资讯的串连,这也是近年来HMI厂商纷纷强化OPC UA、SQL资料库以及各类第三方.NET元件进行整合的主因。


软硬兼修 HMI再进化

就整体架构来看,目前市场上的HMI厂商可分为两类,一类是专业HMI厂商,另一则是工业电脑厂商,两者产品的主要差异是软硬体的整合。专业HMI厂商都有自己设计的软体,以软硬整合方式布局市场,工业电脑厂商则是系统整合厂商分工,工业电脑厂商提供硬体,系统整合厂商再根据自己需求设计软体。在过去的自动化系统中,这种软硬分工的模式有其优势,由於系统单纯(硬体设备变动不大)、应用单纯(都只为制造用途),软硬体都可设计为单一模式的系统,不过在新世代的自动化概念下,这种作法渐渐受到限制,首先是单一模式的软硬体设计缺乏扩充弹性,难以产生附加价值,在软体部份,这类模式的软体设计经验仅停驻在此一模式,无法累积经验,将之延伸应用到其他类型产品。


回过头来看专业型HMI,此类型厂商的HMI与其自行研发的作业软体平台结合,产品软硬合一,在出厂前就有一定程度的稳定运作保障,其软硬体都为开放式架构,不仅硬体面可轻易扩充,软体方面,也因其不是为单一架构或领域所设计,当系统有扩充需求或系统厂商承接到其他领域案件时,其大部份软体设计概念可以直接转移,不必再针对这些改变重新设计,大幅缩短系统修改或产品出货的时间,因此对缺发设计能力或要求产品快速上市的系统厂商来说,是相对较隹的选择。



图3 : 制造现场资讯的可视化已成HMI的发展趋势。(source: WA3000 Industrial Automation)
图3 : 制造现场资讯的可视化已成HMI的发展趋势。(source: WA3000 Industrial Automation)

在应用领域方面,目前HMI最主要的应用仍为工业自动化产业,早期HMI以显示大量开关、指示灯号、产线情报或故障警示等讯息,来取代传统开关与灯号元件,其功能局限在启动或停止某个设备;新世代的HMI除了提高核心CPU的速度、多样化的显示画面之外,还提供更多通讯埠以连接外部介面,进而达到讯息整合目的,在自动化整合领域,厂商也开始走向以完整解决方案的提供者,此一改变让HMI延伸出更多的应用。


应用之路逐渐宽广

除工业自动化外,HMI目前的重点应用还包括建筑、医疗、船舶、能源、车载…等领域,这些领域都各有其不同规格需求。在建筑应用中,HMI主要作为楼宇节能系统的操控与显示平台,这种楼宇种类除了一般观念中的办公、住宅大楼,也包括工厂厂房,在全球一片节能议题中,工厂与住宅的减碳已成为各国必须严肃面对的课题,建筑节能系统主要架构是透过建置於各能源使用设备的感测节点,撷取用电讯息,并透过控制器加以调节,而各设备的能源使用量必须化为确实数据显示,以供管控人员辨识并操作设定,HMI就是扮演此一重要角色,而这类系统需要与大量异系统链接,因此其产品必须为开放性架构方能胜任。


另一个值得提出讨论的应用趋势也是能源,不过是属於发电端而非节能,在环境保护意识下,现在全球各国纷纷发展洁净能源,其中太阳能与风力被视为最具潜力的两种能源。


在这两者中,太阳能又是重点中的重点,太阳能系统是由太阳能板、太阳能电池、控制系统所构成,透过太阳能板撷取阳光中的光能与热能,再以太阳能电池进行光电转换,把阳光中包含的能量转化为电能,控制系统必须时时让太阳能板控制在最隹受光角度,同时管控太阳能电池的蓄电量,HMI在此负责各类讯息的显示与系统操作重责,因此对产品规格有相当高的要求。


综观来看,技术与市场应用两端的相互刺激,让HMI产生了与以往的不同样貌。在技术方面,硬体与软体整合不但有更隹的稳定度,更不断产生出附加价值,技术的提升让应用更为宽广,无论是原本的工业制造或现在正囹的能源应用,已进化的HMI都能胜任其职,成为新世代智慧系统的人机沟通桥梁。


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