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智慧工厂兴起,HMI如何创造被利用价值?
 

【作者: 季平】2021年07月14日 星期三

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人机介面(HMI)是制造系统中人与机台的沟通桥梁,随着工业4.0兴起,HMI进一步成为OT与IT系统的资讯传输枢纽。然而,随着PLC(Programmable Logic Controller)可程式控制器与HMI的相似度越来越高,HMI与PLC的竞合关系是否出现变化?HMI在智慧工厂中如何创造自己的被利用价值?


人机介面(Human Machine Interface;HMI)与可程式控制器(Programmable Logic Controller;PLC)是制造现场最重要的自动化设备, HMI的主要功能是连接PLC、变频器等工控设备,透过输入介面(如触控萤幕、键盘、滑鼠等)写入工作叁数或操作指令,人机互动资讯透过萤幕显示,实现人机资讯交流及共享。


HMI的硬体包含处理器、显示单元、输入单元、通讯介面、资料存储单元等,其中,处理器的性能决定HMI的性能高低。导入IT後,主要关键技术在触控萤幕,触控萤幕已取代多数按键、滑鼠、键盘功能,提供更简便、美观的直觉式操作介面,透过USB与乙太网路等输出技术,HMI可以与系统无缝接轨。HMI的软体包含硬体中的系统软体,以及PC机Windows作业系统下的画面组态软体等,透过Windows软体与乙太网路,HMI的软体如SCADA(资料采集与监控系统)可以与MES(Manufacturing Execution System)制造执行系统、ERP(Enterprise resource planning)企业资源规划系统等相互串连。


在工业4.0浪潮下,所有设备必须有连网能力,导入IT後,HMI仍然扮演制造设备的监控角色,只是角色与功能更多,必须让设备数据可以被数位化,以利管理者监控。未来,HMI的功能不仅止於显示设备的数据,也能延伸到产线与厂方端,除了输入、输出控制外,还可以执行其他加值功能,如设备操作记录、大数据资料搜集、警报资讯提醒、趋势曲线分析等。


在智慧工厂发展架构下,想要提高多数据可视化功能,HMI必须搭载更多图像化资讯,才能方便生产流程管理与厂房控制,也因此带动大尺寸、高解析显示面板的需求。视觉图像需要靠精确的数据协助,少数先进厂房已运用3D模型提高操作便利性与执行效能。


因此,HMI也开始搭载高阶元件或高阶显示解决方案以提升运送功能,如独立显示晶片或新一代整合型显示晶片。5.7寸以上的HMI产品多为彩色LCD,平板PC也成为HMI高端硬体,小於5.7寸的HMI产品功能则逐步增强,导入I/O功能。随着AR、VR及远端控制应用的兴起,HMI操作介面甚至出现新兴装置与应用,如语音和感测技术。


5G带动的HMI大未来

物联网、大数据兴起使HMI加速整合PC系统与网路浏览器支援技术,硬体方面主要是PC通讯与支援资料输入、输出,包含HDMI、USB、GB等级的乙太网路RJ-45,无线通讯的Wi-Fi介面等;软体方面则包含Windows与Linux架构,另外也增加更多Web图形化支援能力,以及与远端行动装置同步的功能。


工研院产科国际所资深分析师黄仲宏进一步勾勒5G专网带动下,HMI的可能发展及突破,「如果在工业运用上有AR显示器与伺服器回传,搭配5G低延迟、高传输量及联网特性,AR介面大有可能取代HMI,提供云端化介面服务。」比起传统人机介面可能产生如人为操作错误导致的制程中断、需要较长的维护时间相比,AR更能做到即时操作,处理工厂生产流程图、机台操作维护及运用、生产清单、安全资讯,以及生产标准作业程序。


黄仲宏表示:「AR头戴式装置是很被看好的杀手级运用,带来使用者与数位内容的全新互动方式,这些互动可以透过行动装置对应设备显示出来,也是IT技术导入後可能带来的改变。」电子大厂如美国的艾默森、德国的西门子等都已推动APP或软体产品支援AR发展,国内如HTC、和硕等也有相关硬体发展。


「IT技术除了以AR呈现,也可以结合数位双生(Digital Twin)概念。」黄仲宏进一步说明,数位双生是把工业应用上的真实物体打造成3D模型,在电脑上呈现,只要设备机台装上感测器,利用搜集到的数据就可以在电脑上操作3D模型,让生产、制程、产品等透过AR、VR、MR等应用,以4k、8k影像呈现数位效能,「5G低延迟、互联、大数据等特性会比现在的平板HMI更有效率,互动更realtime,也更具临场感,发展空间与效能都很大。」


然而,在5G应用发展成熟之前,HMI还是停留4G环境下的传统应用,仍需仰赖传统人机介面观看流程、监控,就算5G到位,成本问题也可能降低制造业升级意愿。以制造业工厂来说,技术稳定比较重要,高科技或「炫技」次之,「所以5G未来导入IT是否被业者接受进而推广运用於智慧制造,需要再观察,如果ROI不明显,业者也可能会却步。」


制造业的痛点:整合难

进一步检视国内制造业者的HMI发展状况,多半还是很传统。工研院南分院??组长李坤敏指出,国内产业导入工业4.0的动机不外??是提高良率与产能、降低成本、符合客户需求(如生产履历)等,在真正的「智慧工厂」与5G环境成熟之前,4G世代的国内制造业者在HMI的操作应用上主要面临的痛点是:各家PLC有各自的资料格式、通讯协定,造成整合困难,而且相当耗时。



图1 : 资料可视化是导入智慧制造最急迫的项目。(source:工研院/forenex;智动化整理)
图1 : 资料可视化是导入智慧制造最急迫的项目。(source:工研院/forenex;智动化整理)

李坤敏坦言,绝大部分的国内厂商从3.0到4.0资料可视化的投资金额远小於投入AI领域,短期内,台湾绝大部分传产或中小规模制造业者还是会锁定资料可视化发展,「资料可视化(SCADA)是目前导入智慧制造最急迫的项目,而可视化的第一步为资料收集,这部分国内机台逾82%以PLC、HMI连线方式居多。」解决制造业痛点,因应之道有二:一是提供业者加速PLC解析与解译的工具,以提高服务产能,二是提供可程式化SCADA工具与自我组态无线网路布建工具。


过去PLC解译采人工比对,乱中有错,徒增人工与时间成本,过程中还需人工训练、网路拉线、停机等各环节相互配合。PLC原始程式解析与程式开发需耗时15天,资料验证需7天,透过工研院PLC暨HMI资料转译工具进行PLC位址扫描并撷取机台生产数据,线上即时判定,可缩短70%以上PLC解译与数据验证时间,降低误判率;使用HMI资料标记工具标记各时间点辨识区域数值後,可自主上传与开发SCADA图像,正确率达99.48%。「我们采拖拉方式搭配图库,HMI可以自己编辑内容,只要开发过一次并留下图库档,下次就可以节省70%重复开发时间,缩短80%网路布建时间,协助业者缩短时间成本,提高效益。」成功案例包含益升智慧与福寿实业建构远端监管平台的IT/OT整合服务,加速中小制造业(手工具产业)智慧应用;系统整合商爱文西门(律辉)及世丰螺丝也曾运用平台整合及衍生多样化功能,成功支援AI应用建置;东丰路竹厂与伯锦智慧化制造工具则透过系统整合运用工具,成功支援智慧制造。



图2 : PLC暨HMI资料转译流程。(source:工研院)
图2 : PLC暨HMI资料转译流程。(source:工研院)

图3 : 可程式化SCADA管理平台暨网路布建工具。(source:工研院)
图3 : 可程式化SCADA管理平台暨网路布建工具。(source:工研院)

HMI与PLC是朋友还是敌人?

5G与AR的发展可能让HMI进入另一个高度,而在HMI发展过程中,还有一个值得观察的可敬对手,就是似敌似友的PLC。许多PLC系统和HMI系统一起使用,也有部分PLC的逻辑处理功能直接整合到HMI软体中,或者将PLC和I/O模组嵌入HMI整合系统,随着IT技术的导入,HMI及PLC的部分技术与模组可以共用,自动化系统的整合性更好,因此,二者之间定位的相似度与搭配性也越来越高。


工研院产科国际所资深分析师黄仲宏认为,网路化与云端化是HMI的未来趋势,但在角色「再定位」的过程中,HMI不妨从可敬对手PLC身上找灵感。台湾PLC的年市场规模约35-40亿元,近年来PLC结构朝模组式发展,业者可以选购PLC所需功能模组补足或升级需求,比方增加I/O点数或增加网通卡支援通讯协定,也有越来越多PLC搭配HMI,成为另一种「标配」。值得注意的是,另有一股趋势同步发展,即操作员的电脑、手机、平板等装置只要有套装软体,就可以直接跟PLC沟通,不一定非要HMI不可,「其他装置能跳过HMI跟PLC沟通,传统HMI的重要性可能因此显得越来越薄弱。」



图4 : 可程式化SCADA管理平台暨网路布建工具。(Source:工研院)
图4 : 可程式化SCADA管理平台暨网路布建工具。(Source:工研院)

另一方面,随着PLC越来越自动化控制器(PAC)化,PLC与PAC都有边缘运算功能,可以透过晶片、处理器处理大数据,而且随时可以上云端,与互联网设备连结,在迈向IT、智慧工厂的过程中,PLC软硬体已经模组化,而且可以与其他平台沟通连结,


如此一来,HMI是否会逐渐被边缘化,甚至被取代?对此,黄仲宏认为,HMI可能被整合,比方PLC业者会主动整合HMI,或者HMI业者也可能结合PLC,「在工业应用上,单独的HMI可能会式微,但是整合PLC的HMI或二合一的产品会成为新常态。」


他进一步指出,未来HMI一定具备上网能力,迈向智慧通讯,处理速度高,而且储存容量大,可以支援处理很多开放通讯接囗,朝整合智慧制造发展,「以前是分散控制,线上即时控制,将来统一架构(OPC UA)是主流,很多东西会被整合在一起,PLC与HMI都涉及资料撷取与处理,二者的功能会越来越模糊,角色会越来越同质化。」


而在”We are Family”的整合时代全面到来前,彼此的独立优势还是有的,毕竟不是所有user端(工厂)都有或需要整合能力,很多环境不一定要用PLC+HMI。此外,无线化是否存在资安疑虑、无线传输是否干扰Wi-Fi的稳定性、投资效益是否明显等都是业者的考量重点,「成本、资安、需求问题以及系统整合人才难寻等都会影响PLC及HMI的整合速度与发展成熟度。」


如果打不赢 那就加入他

不同厂牌HMI硬体、画面软体不尽相同,但对应连结的设备都是PLC,在PC或Windows作业系统下,PC性能越高,大型监控系统人机介面就有存在的价值,「如果HMI有相对应的软体,才可能在PC、手持装置中脱颖而出,扮演更好的角色,但这些优势需要时间酝酿。」不想被边缘化或被淘汰,HMI业者需要积极思考新的整合策略。


黄仲宏建议,HMI的设计可以朝多元化发展,透过创意设计或整合,把所有数据设计成可视化,「不是只有OT端,而是IT、OT端都可视化,可以协助管理者建立快速反应机制,建立设备运作状况,让HMI更贴近end user需求。」最终的目的还是打入智慧制造行列,进入工业物联网系统,「HMI如果无法单独突破自己的优势,整合是另一种方式,不一定是等着被整合,也可以主动整合PLC。」换言之,唯有朝多元应用发展,HMI才可能在未来的智慧工厂中找到更多被利用价值。


**刊头图(source:forenex)


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