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智慧工廠興起,HMI如何創造被利用價值?
 

【作者: 季平】   2021年07月14日 星期三

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人機介面(HMI)是製造系統中人與機台的溝通橋樑,隨著工業4.0興起,HMI進一步成為OT與IT系統的資訊傳輸樞紐。然而,隨著PLC(Programmable Logic Controller)可程式控制器與HMI的相似度越來越高,HMI與PLC的競合關係是否出現變化?HMI在智慧工廠中如何創造自己的被利用價值?


人機介面(Human Machine Interface;HMI)與可程式控制器(Programmable Logic Controller;PLC)是製造現場最重要的自動化設備, HMI的主要功能是連接PLC、變頻器等工控設備,透過輸入介面(如觸控螢幕、鍵盤、滑鼠等)寫入工作參數或操作指令,人機互動資訊透過螢幕顯示,實現人機資訊交流及共享。


HMI的硬體包含處理器、顯示單元、輸入單元、通訊介面、資料存儲單元等,其中,處理器的性能決定HMI的性能高低。導入IT後,主要關鍵技術在觸控螢幕,觸控螢幕已取代多數按鍵、滑鼠、鍵盤功能,提供更簡便、美觀的直覺式操作介面,透過USB與乙太網路等輸出技術,HMI可以與系統無縫接軌。HMI的軟體包含硬體中的系統軟體,以及PC機Windows作業系統下的畫面組態軟體等,透過Windows軟體與乙太網路,HMI的軟體如SCADA(資料採集與監控系統)可以與MES(Manufacturing Execution System)製造執行系統、ERP(Enterprise resource planning)企業資源規劃系統等相互串連。


在工業4.0浪潮下,所有設備必須有連網能力,導入IT後,HMI仍然扮演製造設備的監控角色,只是角色與功能更多,必須讓設備數據可以被數位化,以利管理者監控。未來,HMI的功能不僅止於顯示設備的數據,也能延伸到產線與廠方端,除了輸入、輸出控制外,還可以執行其他加值功能,如設備操作記錄、大數據資料蒐集、警報資訊提醒、趨勢曲線分析等。


在智慧工廠發展架構下,想要提高多數據可視化功能,HMI必須搭載更多圖像化資訊,才能方便生產流程管理與廠房控制,也因此帶動大尺寸、高解析顯示面板的需求。視覺圖像需要靠精確的數據協助,少數先進廠房已運用3D模型提高操作便利性與執行效能。


因此,HMI也開始搭載高階元件或高階顯示解決方案以提升運送功能,如獨立顯示晶片或新一代整合型顯示晶片。5.7吋以上的HMI產品多為彩色LCD,平板PC也成為HMI高端硬體,小於5.7吋的HMI產品功能則逐步增強,導入I∕O功能。隨著AR、VR及遠端控制應用的興起,HMI操作介面甚至出現新興裝置與應用,如語音和感測技術。


5G帶動的HMI大未來

物聯網、大數據興起使HMI加速整合PC系統與網路瀏覽器支援技術,硬體方面主要是PC通訊與支援資料輸入、輸出,包含HDMI、USB、GB等級的乙太網路RJ-45,無線通訊的Wi-Fi介面等;軟體方面則包含Windows與Linux架構,另外也增加更多Web圖形化支援能力,以及與遠端行動裝置同步的功能。


工研院產科國際所資深分析師黃仲宏進一步勾勒5G專網帶動下,HMI的可能發展及突破,「如果在工業運用上有AR顯示器與伺服器回傳,搭配5G低延遲、高傳輸量及聯網特性,AR介面大有可能取代HMI,提供雲端化介面服務。」比起傳統人機介面可能產生如人為操作錯誤導致的製程中斷、需要較長的維護時間相比,AR更能做到即時操作,處理工廠生產流程圖、機台操作維護及運用、生產清單、安全資訊,以及生產標準作業程序。


黃仲宏表示:「AR頭戴式裝置是很被看好的殺手級運用,帶來使用者與數位內容的全新互動方式,這些互動可以透過行動裝置對應設備顯示出來,也是IT技術導入後可能帶來的改變。」電子大廠如美國的艾默森、德國的西門子等都已推動APP或軟體產品支援AR發展,國內如HTC、和碩等也有相關硬體發展。


「IT技術除了以AR呈現,也可以結合數位雙生(Digital Twin)概念。」黃仲宏進一步說明,數位雙生是把工業應用上的真實物體打造成3D模型,在電腦上呈現,只要設備機台裝上感測器,利用蒐集到的數據就可以在電腦上操作3D模型,讓生產、製程、產品等透過AR、VR、MR等應用,以4k、8k影像呈現數位效能,「5G低延遲、互聯、大數據等特性會比現在的平板HMI更有效率,互動更realtime,也更具臨場感,發展空間與效能都很大。」


然而,在5G應用發展成熟之前,HMI還是停留4G環境下的傳統應用,仍需仰賴傳統人機介面觀看流程、監控,就算5G到位,成本問題也可能降低製造業升級意願。以製造業工廠來說,技術穩定比較重要,高科技或「炫技」次之,「所以5G未來導入IT是否被業者接受進而推廣運用於智慧製造,需要再觀察,如果ROI不明顯,業者也可能會卻步。」


製造業的痛點:整合難

進一步檢視國內製造業者的HMI發展狀況,多半還是很傳統。工研院南分院副組長李坤敏指出,國內產業導入工業4.0的動機不外乎是提高良率與產能、降低成本、符合客戶需求(如生產履歷)等,在真正的「智慧工廠」與5G環境成熟之前,4G世代的國內製造業者在HMI的操作應用上主要面臨的痛點是:各家PLC有各自的資料格式、通訊協定,造成整合困難,而且相當耗時。



圖1 : 資料可視化是導入智慧製造最急迫的項目。(source:工研院/forenex;智動化整理)
圖1 : 資料可視化是導入智慧製造最急迫的項目。(source:工研院/forenex;智動化整理)

李坤敏坦言,絕大部分的國內廠商從3.0到4.0資料可視化的投資金額遠小於投入AI領域,短期內,台灣絕大部分傳產或中小規模製造業者還是會鎖定資料可視化發展,「資料可視化(SCADA)是目前導入智慧製造最急迫的項目,而可視化的第一步為資料收集,這部分國內機台逾82%以PLC、HMI連線方式居多。」解決製造業痛點,因應之道有二:一是提供業者加速PLC解析與解譯的工具,以提高服務產能,二是提供可程式化SCADA工具與自我組態無線網路佈建工具。


過去PLC解譯採人工比對,亂中有錯,徒增人工與時間成本,過程中還需人工訓練、網路拉線、停機等各環節相互配合。以一般100點場域的工廠環境而言,PLC原始程式解析與程式開發需耗時15天,資料驗證需7天,透過工研院PLC暨HMI資料轉譯工具進行PLC位址掃描並擷取機台生產數據,線上即時判定,可縮短70%以上PLC解譯與數據驗證時間,降低誤判率;使用HMI資料標記工具標記各時間點辨識區域數值後,可自主上傳與開發SCADA圖像,正確率達99.48%。「我們採拖拉方式搭配圖庫,HMI可以自己編輯內容,只要開發過一次並留下圖庫檔,下次就可以節省70%重複開發時間,縮短80%網路佈建時間,協助業者縮短時間成本,提高效益。」成功案例包含益昇智慧與福壽實業建構遠端監管平台的IT/OT整合服務,加速中小製造業(手工具產業)智慧應用;系統整合商愛文西門(律輝)及世豐螺絲也曾運用平台整合及衍生多樣化功能,成功支援AI應用建置;東豐路竹廠與伯錦智慧化製造工具則透過系統整合運用工具,成功支援智慧製造。



圖2 : PLC暨HMI資料轉譯流程。(source:工研院)
圖2 : PLC暨HMI資料轉譯流程。(source:工研院)

圖3 : 可程式化SCADA管理平台暨網路佈建工具。(source:工研院)
圖3 : 可程式化SCADA管理平台暨網路佈建工具。(source:工研院)

HMI與PLC是朋友還是敵人?

5G與AR的發展可能讓HMI進入另一個高度,而在HMI發展過程中,還有一個值得觀察的可敬對手,就是似敵似友的PLC。許多PLC系統和HMI系統一起使用,也有部分PLC的邏輯處理功能直接整合到HMI軟體中,或者將PLC和I/O模組嵌入HMI整合系統,隨著IT技術的導入,HMI及PLC的部分技術與模組可以共用,自動化系統的整合性更好,因此,二者之間定位的相似度與搭配性也越來越高。


工研院產科國際所資深分析師黃仲宏認為,網路化與雲端化是HMI的未來趨勢,但在角色「再定位」的過程中,HMI不妨從可敬對手—PLC身上找靈感。台灣PLC的年市場規模約35-40億元,近年來PLC結構朝模組式發展,業者可以選購PLC所需功能模組補足或升級需求,比方增加I/O點數或增加網通卡支援通訊協定,也有越來越多PLC搭配HMI,成為另一種「標配」。值得注意的是,另有一股趨勢同步發展,即操作員的電腦、手機、平板等裝置只要有套裝軟體,就可以直接跟PLC溝通,不一定非要HMI不可,「其他裝置能跳過HMI跟PLC溝通,傳統HMI的重要性可能因此顯得越來越薄弱。」



圖4 : 可程式化SCADA管理平台暨網路佈建工具。(Source:工研院)
圖4 : 可程式化SCADA管理平台暨網路佈建工具。(Source:工研院)

另一方面,隨著PLC越來越自動化控制器(PAC)化,PLC與PAC都有邊緣運算功能,可以透過晶片、處理器處理大數據,而且隨時可以上雲端,與互聯網設備連結,在邁向IT、智慧工廠的過程中,PLC軟硬體已經模組化,而且可以與其他平台溝通連結,


如此一來,HMI是否會逐漸被邊緣化,甚至被取代?對此,黃仲宏認為,HMI可能被整合,比方PLC業者會主動整合HMI,或者HMI業者也可能結合PLC,「在工業應用上,單獨的HMI可能會式微,但是整合PLC的HMI或二合一的產品會成為新常態。」


他進一步指出,未來HMI一定具備上網能力,邁向智慧通訊,處理速度高,而且儲存容量大,可以支援處理很多開放通訊接口,朝整合智慧製造發展,「以前是分散控制,線上即時控制,將來統一架構(OPC UA)是主流,很多東西會被整合在一起,PLC與HMI都涉及資料擷取與處理,二者的功能會越來越模糊,角色會越來越同質化。」


而在”We are Family”的整合時代全面到來前,彼此的獨立優勢還是有的,畢竟不是所有user端(工廠)都有或需要整合能力,很多環境不一定要用PLC+HMI。此外,無線化是否存在資安疑慮、無線傳輸是否干擾Wi-Fi的穩定性、投資效益是否明顯等都是業者的考量重點,「成本、資安、需求問題以及系統整合人才難尋等都會影響PLC及HMI的整合速度與發展成熟度。」


如果打不贏 那就加入他

不同廠牌HMI硬體、畫面軟體不盡相同,但對應連結的設備都是PLC,在PC或Windows作業系統下,PC性能越高,大型監控系統人機介面就有存在的價值,「如果HMI有相對應的軟體,才可能在PC、手持裝置中脫穎而出,扮演更好的角色,但這些優勢需要時間醞釀。」不想被邊緣化或被淘汰,HMI業者需要積極思考新的整合策略。


黃仲宏建議,HMI的設計可以朝多元化發展,透過創意設計或整合,把所有數據設計成可視化,「不是只有OT端,而是IT、OT端都可視化,可以協助管理者建立快速反應機制,建立設備運作狀況,讓HMI更貼近end user需求。」最終的目的還是打入智慧製造行列,進入工業物聯網系統,「HMI如果無法單獨突破自己的優勢,整合是另一種方式,不一定是等著被整合,也可以主動整合PLC。」換言之,唯有朝多元應用發展,HMI才可能在未來的智慧工廠中找到更多被利用價值。


**刊頭圖(source:forenex)


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