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可视化+云端 打造新世代HMI全新面貌
 

【作者: 王明德】2018年05月02日 星期三

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HMI在自动化制造系统中,是唯一的图形化人机介面,过去HMI主要是连接PLC、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备,利用显示萤幕显示,透过触控式萤幕、键盘等输入设备,输入工作叁数或操作命令,让人与机器的资讯得以交流。不过,在智慧制造趋势下,HMI的角色将会开始改变。


就市场发展态势来看,云端与可视化将会是下一世代制造系统的既定趋势,透过工业物联网架构,让底层机台具备讯号撷取能力,并将所取得的资讯往上传送,让云端平台储存、分析相关资讯,从而制定出最隹化生产策略。而此一系统运作过程,设备的资讯不但必须快速流动,而且不同阶层的管理者都可透过经授权过的设备,在任何时间、地点查看到相关数据,透过可视化愿景的落实,提升制造系统效益。在云端与可视化趋势中,HMI的角色与功能也会同步进化。


HMI新角色-边缘运算

台达电子机电事业群运动控制事业部总经理蔡清雄博士就指出,从HMI的Human Machine Interface可以看出,最早之前的设备定义是人与机器的互通介面,不过在工业4.0架构中,制造系统之间需要互通资讯的,已不只是人与机器,机器与机器(Machine to Machine Interface;MMI)、机器与云端(Cloud to Machine Interface;CMI)也会是系统运作时相当频繁的工作,而在此定义的改变下,HMI的功能也会随之改变,过去仅做为控制设备数据显示的功能将会进一步延伸,强化其运算处理能力,扮演工业物联网架构中,边缘运算(Edge Computing)与闸道器(Gateway)的角色。


除了台达,北尔电子市场开发经理何辅仁也认为,边缘运算将会是HMI未来的重要功能之一,他进一步指出,导入的制造业者必须厘清,HMI与後端系统的运算资料归属,也就是那些资料要上云?那些资料留在终端即可,当然HMI与後端系统连接已成趋势,不过双方的传输并不一定要时时同步。对此蔡清雄表示,制造现场的设备运作快速,对即时性的需求相当高,不可能由後台的云端系统负责控制,云端平台的资讯分析,主要是透过产能的数据,分析制定出整体制程的改善方向,当下的即时指令,必须由位於现场、可精准掌握产线状况的HMI负责,方能让决策品质最隹化。


不过蔡清雄认为,制造业对云端HMI的需求目前仍未浮现,主要原因在於使用者对云端系统带来的价值,仍抱持观??态度,云端系统必须建构整体系统,而非只需添购一部HMI,但架构整体系统不但成本高昂,系统上线之後像是通讯、维修等费用也会开始产生,另一方面则是系统厂商宣称的服务内容,各制造业者都已有自己的一套运作模式,或许效能不如新系统高,不过一来运作时间久,熟悉度已高,二不必像新系统建置,必须在初期就投入大量成本,因此制造业者都仍抱持「能用就用」的心态,而这些实际面的考量,都是云端系统发展速度较慢的原因。


整合IT系统 落实可视化愿景

至於可视化部分,何辅仁指出HMI未来扮演的闸道器角色,将汇整上传底层设备撷取的资料至资料中心(Database),供後端IT系统查看、分析,因此HMI必须与资料中心紧密连结,目前北尔就与第3方资料中心业者合作,提供相关服务,另外北尔的DashBoard平台,也可让管理者即时掌握各端点讯息,透过云端撷取各端点上传的数据,载透过特殊设计的介面平台,显示所选择的端点数据,为企业打造出精准的战情库。


除了後端IT系统的可视化外,现场的可视化则是与MES的链结,透过这两者的结合,让自动化系统产生了更多附加功能,包括生产追踪管理、品质管理、零配件管理、机台预修保养、物料管理、报表入囗网页、载具管理等,以下就这些工厂可视化的管理功能进行分析。



图1 :  台达电子机电事业群运动控制事业部总经理蔡清雄指出,HMI的功能将会进一步延伸,强化其运算处理能力,扮演工业物联网架构中,边缘运算与闸道器的角色。(照片提供/台达电子)
图1 : 台达电子机电事业群运动控制事业部总经理蔡清雄指出,HMI的功能将会进一步延伸,强化其运算处理能力,扮演工业物联网架构中,边缘运算与闸道器的角色。(照片提供/台达电子)

生产追踪管理是工厂可视化的核心,利用建置在产线上的读取器读取每个产品批号,纪录每批产品的进出产线时间,目前的产品批号以条码为主,作业人员持扫描器读取资料,未来若RFID成为供应链主流技术,则货品读取会更快,多家HMI厂商也将RFID列为未来重点发展规格。生产追踪管理读取产品讯息後,利用网路将讯息即时送往後端系统,厂管人员可即刻在HMI上追踪工单(Work order)进度,另外也可利用此系统进行生产顺序排程,掌握出货顺序,生产追踪管理是工厂可视化的核心功能,其他功能都是围绕此模组建置出来。


品质管理是SCADA所延伸出来的功能之一,在生产过程中搜集资料,并运用统计的分析方式,即时发现异常的现象加以处理,以降低生产损失,品质管理系统可区分为几个部分,包括资料搜集、统计检验、呈现、处置等,资料搜集由生产追踪管理负责,统计检验则代表质管理系统所能提供的检验规则,当系统检验出不良品趋势增高後,便显示在HMI上,通知生产工程师进行处理。


零配件管理主要负责工厂中所有机台与零配件的管理,并建立与生产过程之间的互动关系,因此关於生产中的零配件及零配件库存管理都是相关的项目,零配件的系统规划目标应该包括机台基本资料维护、生产追踪管理模组整合、零配件进出与库存管理,在後端电脑上,也将所有机台进行颜色管理,利用不同颜色标示机台状况,让管理者不在现场也能即时监控生产状况。


机台预修保养系统是保养工序中最重要的软体工具,将机台与零配备的设定、型态、群组等资料建入系统後,系统会依设定的时间如日、周、季、年等时间自动通知保养人员,例如以电子邮件的发送,提醒保养人,除了主机台外,重要零配件也可列入系统一并保养,此外每次保养的历史纪录也会存档,供企业存查,以往这些功能都仅建置在後端系统介面,不过在HMI规格被强化後,也可兼具此功能,事先输入自动化系统的零配件维修周期,时间一到即提醒现场人员进行维修。


在软硬体架构方面,蔡清雄认为,近年来AI技术已然成熟,未来将会应用在制造业中,拥有AI运算能力的HMI,可透过深度学习,让工业物联网系统中的设备,具有自我诊断能力,他也指出,现在HMI的运算核心,已足以负荷工业物联网的资料量,不过随着整体系统的演进,未来HMI也会开始走向多核心,至於通讯埠的应用,由於必须与後端IT系统链接,何辅仁指出乙太网路埠仍是必备,其他的序列式通讯标准像是RS232、RS485等仍是必备,至於现场总线介面,就视各家设备应用选择,整体来说,HMI的通讯变化并不大。


市场持续展开 HMI稳定成长

面对工业4.0趋势,台达的工控产品近年来也加快智慧化脚步。在HMI部分,蔡清雄表示未来将会扩大整合面,赋予HMI更多功能。他进一步表示,未来的HMI会像现在的智慧手机,虽然仍具有通话功能,不过在有各种App程式後,智慧手机已不断延伸出拍照、上网、收发电子信件…等功能,HMI也会是如此,除了现有的设备控制外,在智慧制造系统下,强化过後的HMI将会被附加更多功能,例如内建条码读写器、相机。台达的HMI目前也往这个方向走,近期将会推出相关机种。



图2 :  北尔电子市场开发经理何辅仁表示,HMI必须与资料中心紧密连结,让後端IT系统可查看、分析资讯。(摄影/王明德)
图2 : 北尔电子市场开发经理何辅仁表示,HMI必须与资料中心紧密连结,让後端IT系统可查看、分析资讯。(摄影/王明德)

整体来看,与IT系统的链接,让现场设备的讯息可视化,将会是HMI在智慧制造变革中的第一个转变,不过要达到此一功能,前提是所有设备的数据都可被撷取。而这正是目前智慧制造系统建构时最困难的一步,由於多数老旧机台并没有感测器,要外加相关的功能模组也不容易。不过现在各界都正努力克服此一问题,例如经济部智慧机械办公室,就在今年起展开5年计画,预计推动9,000台以上机器安装Smart Machine Box(SMB),加装SMB後,业者的设备可立即实现联网功能,以进行机器连线及收集生产资料,让生产管理变成可视化、生产排程优化,至於云端部分,目前制造商虽多处於观??态度,不过从长期来看,这仍然是明确趋势,只是制造业者的做法不同於一般消费性产品,会在短时间集体汰换旧设备,不是逐步替换,就是在新产线或新厂房建置时,再一并规划,因此云端在制造系统的成长不会是一夕爆发,而是缓步成长,未来的发展仍然乐观。


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