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智慧製造浪潮襲來 HMI角色重新定位
 

【作者: 王明德】   2020年03月27日 星期五

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HMI(人機介面)是製造現場中人與機台的主要溝通介面。最早的HMI是簡單的按鍵,簡單控制設備的啟動與停止,隨著機台功能漸趨複雜,觸控式的HMI逐漸出現在產線中,時至今日,各類精密機台上的HMI已是按鍵、鍵盤、觸控面板共存。


這幾年工業4.0帶動製造業走向智慧化,與既有的機台相較,新世代製造系統加入了更多的可視化、異系統整合等全新設計概念,在此概念中,HMI在產線系統的定位與過去截然不同,為了因應此一改變,HMI的軟硬體規格也必須同時進化。


內外因素刺激 智慧製造趨勢已成

觀察整體市場趨勢,受到內外兩端的影響,製造業走向智慧化已是大勢所趨。內部因素來自節節攀升的勞力成本,台灣傳統製造業向來倚靠大量的人力,因此,降低人力成本就成為企業重要的營運策略之一。


過去30年,台灣靠著大陸經濟剛起步時所提供的大量且低價人力維持競爭力;這幾年大陸勞工成本逐漸升高,且全球勞工意識抬頭、各國開始強化勞工權益,即便台商將製造基地轉移到東南亞或其他開發中國家,也無法降低人力成本。北爾電子產品管理與支援部協理李立偉就指出,勞工成本再降低的空間已經有限,因此現在製造業要維持以往的獲利水準,只能從管理財著手,而賺管理財的前提就是智慧製造。



圖1 : 北爾電子產品管理與支援部協理李立偉指出,現在製造業要維持以往的獲利水準,只能從管理財著手,而賺管理財的前提就是智慧製造。(攝影/王明德)
圖1 : 北爾電子產品管理與支援部協理李立偉指出,現在製造業要維持以往的獲利水準,只能從管理財著手,而賺管理財的前提就是智慧製造。(攝影/王明德)

外部因素則來自是貿易戰與客戶需求。這兩年中美貿易戰開打,美國政府限令中國製造的產品不得入境,台商紛紛將製造基地移往他國,這一波新廠的建置時期,與近年來興起的智慧製造浪潮重疊,因此部分製造業者順勢轉型,透過數位系統強化管理效益。


至於客戶端需求,也來自全球智慧製造趨勢,尤其歐美國家的發展速度又高於其他地區,加上歐美市場等先進國家是台灣製造業的重要訂單來源,為了取得業績,台商除了配合歐美客戶需求,必須在產品中加入訂單中指定的智慧化設計之外,部分智慧化較完整的客戶還會要求供應鏈中的配合廠商,必須有相應的智慧化營運機制,讓自己能隨時掌握貨源的品質與狀態,並且在必要時回溯追蹤,找出產品的問題所在。


因應這股智慧製造潮流,HMI在產線中所扮演的角色,也從過去僅作為機台操控與狀態監控再次進化。就如李立偉所言,現在製造業賺的是管理財,而管理財的前提是讓資訊透明化,透過通透且完整的資訊,讓管理者掌握工廠中產線、倉儲物流,甚至是廠房內的水電能源等廠務資訊,從而因應不同的狀況,制定出最佳化策略,也因此可視化成為HMI在智慧製造世代中的新角色。


角色重新定位 HMI擔起可視化重責

可視化的意義有兩種,包括數據的圖像化與流動化。人類對圖像的接受度遠高於文字,李立偉以智慧手機為例指出,手機過去是文字呈現,後來3G、4G啟動後,智慧手機呈現爆炸性成長,後來更進一步刺激、發展出各種新功能,在未來的物聯網世界中,手機已經是不可或缺的要角。他認為HMI的發展也會循同一軌跡。


新世代的HMI透過設計,將工廠中各種文字、符號化繁為簡,以圖像呈現在使用者眼前,讓管理者可以在第一時間就直覺了解數據背後所代表的意義,達到可視化願景。


可視化的另一個意義是數據的流動化。在製造業中,過去IT與OT兩大系統是分開運作,IT領域中的MES、ERP系統負責處理各種企業管理面的資訊,OT領域的各類型機台,則專注於產品的製造,不過工業4.0的出現打破了此一藩籬。


工業4.0核心概念是透過IT與OT兩大系統的整合,讓製造業中的各項資訊可以互為所用,進而達到彈性化生產,並讓管理者藉此擬定出最佳化生產策略。而在此一概念中,台達HMI產品副理劉家宏認為,HMI的定位會從機台的監控,放大為整體系統中,承上啟下的數據處理與傳遞角色。



圖2 : 台達HMI產品副理劉家宏認為,HMI的定位會從機台的監控,放大為整體系統中,承上啟下的數據處理與傳遞角色。(照片提供/台達電子)
圖2 : 台達HMI產品副理劉家宏認為,HMI的定位會從機台的監控,放大為整體系統中,承上啟下的數據處理與傳遞角色。(照片提供/台達電子)

劉家宏進一步表示,工業物聯網是智慧製造的骨幹網路,此一網路剛問世時是集中式運算架構,將現場端的所有設備數據傳送到上層雲端平台統一運算處理。不過,當終端設備數量過多時,集中式運算會造成頻寬與雲端運算單元的沉重負荷,因此後來發展出邊緣運算。


邊緣運算是讓終端設備在前端先做篩選、分流與簡單的運算,將數據化為已處理過的資訊後,再傳送到雲端平台,藉此降低網路頻寬與後端處理器的負載。


在IT領域中,是由「路由器(Router)」負責邊緣運算中的分流工作,至於智慧製造中,劉家宏認為,未來將會由HMI擔起此一重責。劉家宏指出,HMI發展已久,早已具備製造系統所需的穩定度,再加上HMI軟硬體架構同時橫跨IT與OT,要透過IT新技術強化設備效能,使之可因應邊緣運算需求相對容易。


因應智慧需求 硬體再次升級

為了滿足邊緣運算的需求,新世代的HMI在硬體層面必須再次升級,過去HMI只需與現場端的機台連結,因此通訊介面埠多僅有Modbus、RS-422、RS-485等工業通訊標準,不過在智慧製造的路由器角色中,HMI還要負責機聯網(M2M)、機聯雲(M2C)的工作,因此MQTT、OPC UA、HTTPS就成為必須。


劉家宏表示,台達HMI的最大優勢,就在於涵蓋了市場上各種主流的豐富通訊協議,大幅提升與OT、IT兩端的相容性。除了通訊之外,在邊緣運算要求下,運算效能也須要進一步強化,現在市場上已有配備雙核、四核等處理器的高階HMI機種,可滿足目前工業物聯網的邊緣運算需求。


至於螢幕方面,觸控面板已經成為現場機台的基礎配備,且尺吋也愈來愈大、並具備多媒體影音錄放功能等,實際上已可作為一個獨立的設備,甚至是產線戰情中心。


值得一提的是,為了讓可視化概念更完整,現在HMI廠商除了現場端的產品外,也推出大型看板,北爾就是一例,北爾的HMI可依尺寸分為三類產品,小尺寸用於單一機台,中型尺寸放在製造現場,讓看板與MES連結,生產管理人員可由此看到完整的產線生產狀態,大尺寸則是設置在企業總部的戰情室,讓高階主管從遠端掌握各處廠房的運作數據。


觀察產業發展,可以看出HMI的角色不但已在轉換,市場對新概念HMI的接受度也逐漸升高,在智慧製造趨勢的催化下,具備智慧化設計的HMI已經成為製造業者導入新機台的重要考量,隨著智慧化腳步的加快,其成長速度將會加速,成為製造系統的主流機型。


**刊頭圖(source:Hannover Messe)


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