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加速PLC與HMI整合 為工業自動化帶來創新價值
實現即時監控

【作者: 王岫晨】   2024年06月26日 星期三

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將PLC與先進的HMI系統整合,企業可以實現即時監控和控制。


透過即時數據採集和分析,提升生產效率和產品質量。


PLC與HMI的結合將更加緊密,為工業自動化帶來更多創新價值。



可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller;PLC)在工業自動化中有著非常重要的地位。自1960年代問世以來,PLC已經從簡單的繼電器替代品發展為高度複雜的控制系統。現代PLC不僅具有強大的處理能力和儲存能力,還能夠與其他設備和系統無縫通信。


高度複雜化的工業系統整合

隨著工業應用的日益複雜,PLC的高性能和可靠性正不斷提升,必須能夠應對更加苛刻的環境和更高的計算需求。而現代化的PLC也必須具備互聯性和高度整合性,支持多種通信協議,如Ethernet/IP、Modbus、Profinet等,能夠輕鬆與其他自動化設備和訊息系統整合。另外遠程監控與維護也是重點,借助物聯網(IoT)技術,PLC系統可以實現遠程監控、故障診斷和維護,進而提高生產效率和設備運行時間。PLC是基於運算的系統平台,用於控制生產設備的操作。它提高了生產過程的效率、可靠性和安全性。在許多情況下,內建有PLC架構的HMI是首選,因為它可以提供更複雜的應用程序所需的更高程度的控制和自動化。



圖一 : 整合PLC和HMI系統後,工程人員需要學習和適應新系統。
圖一 : 整合PLC和HMI系統後,工程人員需要學習和適應新系統。

至於人機介面(Human-Machine Interface;HMI)則是工廠操作員與機器設備之間進行交互的關鍵工具。HMI是一種允許操作者以安全有效的方式與生產設備進行通信和互動的介面。它通常使用觸控螢幕、按鍵或其他輸入方式,並提供實時監控和操作控制功能。近年來,HMI已變得越來越重要,HMI的發展也經歷了從簡單的數位顯示器和按鈕控制,如今的圖形化、觸控式和多功能化介面的演進,因為它能同時有效地監視和控制多台生產設備。


HMI越來越具有高度彈性,能夠適應不同的應用需求。它可以與各種元件和模組整合,包括微感測器等。現代HMI除了提供直觀的操作介面,並支援可視化功能,例如數據圖表、報表和趨勢分析。而HMI的可靠性對於工業自動化非常重要,它必須能夠持續運行,並在需要時提供即時的監控和控制。隨著元宇宙、AI、物聯網等技術的發展,智慧工廠的HMI將持續智慧化,並成為工業引領數位轉型的關鍵元素。


智能感測器(Smart Sensors)具備數據處理和通訊功能,能夠將環境參數、機器狀態等數據即時傳送給PLC。這些數據經過PLC處理後,再傳遞給HMI進行展示和控制。透過工業物聯網,PLC與HMI系統可以實現跨設備、跨系統的數據通信與整合,提升整個生產過程的協同效率。而邊緣運算也能夠在本地端對數據進行初步處理,減少數據傳輸延遲;雲端運算則能夠提供強大的數據儲存和分析能力,實現數據管理和深度分析。


PLC與HMI整合面臨的挑戰

工業自動化的發展進程中,PLC和HMI的整合可以實現即時監控、提高生產效率和進行智能管理。然而,這一過程中也面臨諸多挑戰,包括技術、操作、維護成本和安全等方面。


技術挑戰

通信協議兼容性

多樣性就是最主要挑戰。不同廠商的PLC和HMI設備可能使用不同的通信協議,如Modbus、Profinet、Ethernet/IP等。確保這些協議之間的兼容性和互操作性是一大挑戰。由於工廠中往往存在多品牌、多種類型的設備,統一通信協議並不容易。而協議轉換有時需要使用協議轉換器或中介軟體來實現不同協議之間的通信,但這可能增加系統的複雜性和成本。如何在保證系統穩定性的同時,實現高效的協議轉換,是一個需要深入研究的問題。


數據同步與實時性

在高要求的工業環境中,數據傳輸的延遲和丟包可能導致關鍵資訊的丟失或反應延遲,影響生產效率和安全性。如何在複雜的網路環境中,確保數據的實時傳輸和高可靠性,是一個重要挑戰。另外也必須確保來自PLC的數據能夠即時處理和顯示在HMI上,對系統的處理能力和穩定性提出了很高的要求。這需要強大的數據處理和優化能力,以確保系統的高效運行。


操作挑戰

複雜性與培訓

系統複雜性當然是最大的問題所在,整合PLC和HMI系統後,工程人員需要學習和適應新系統,這可能涉及到新的操作介面和控制流程。系統的複雜性增加了操作上的負擔,可能影響生產效率。因此需要對操作人員和維護人員進行全面的培訓,以確保他們能夠有效地使用和維護整合後的系統。這需要投入大量的人力和物力,進行長期的培訓計劃。


數據管理與分析

隨著更多感測器和設備的導入,數據量呈指數增長,如何有效地儲存、管理和分析這些數據是一個挑戰。大量的數據需要高效的管理和分析工具,才能發揮其應有的價值。此外,也必須確保數據的準確性和一致性,避免因數據錯誤導致的決策失誤。數據品質的控制需要嚴格的數據標準和監控機制。


維護和成本挑戰

系統維護

整合後的系統更加複雜,維護工作量和難度也隨之增加。需要專業的技術人員進行維護和故障排除,這增加了人力資源的需求和維護成本。而隨著技術的不斷發展,軟體與硬體的更新換代速度加快,需要定期對系統進行更新和升級,這會增加運營成本。如何在保證系統穩定運行的同時,進行有效的更新和升級,是一個需要解決的問題。


初期投資與持續成本

整合PLC和HMI系統需要大量的初期投資,包括硬體購置、軟體開發和系統整合等方面的成本。這可能成為一些中小企業進行數位轉型的主要障礙。除了初期投資,還需要考慮系統運行中的持續成本,如維護費用、升級費用和培訓費用等。如何在控制成本的同時,確保系統的高效運行,是企業面臨的重要挑戰。


系統安全


圖二 : 洛克威爾自動化協助業界建立多功能HMI解決方案
圖二 : 洛克威爾自動化協助業界建立多功能HMI解決方案

工業系統安全一直都是個重要的議題。根據洛克威爾自動化發佈的《工業營運的100+網路資安事件剖析》報告顯示,近60%針對工業領域的網路攻擊是由國家附屬攻擊者所主導,其中約33%是由內部人員誤觸;這也證實OT/ICS資安事件的規模與頻率皆持續增長,且主要針對如能源製造產業的關鍵基礎設施。


洛克威爾自動化全球網路資安服務商務總監 Mark Cristiano 表示,能源、關鍵製造、水處理與核設施,在已通報的關鍵基礎設施產業攻擊事件為多數,預期未來對網路資安攻擊通報的法規和標準將普遍更加嚴格,市場可望獲得針對資安攻擊性質、嚴重性和預防措施的洞察。


在OT/ICS 事件研究中,60%事件直接導致營運中斷,另外40%則造成未經授權的存取與資料外流;然而,網路攻擊造成的損害還會延伸到受影響企業之外,其中65%攻擊事件擴大連帶至供應鏈。


研究指出,強化IT系統資安是關鍵基礎設施與製造設施預防網路攻擊的重要手段,80%以上的OT/ICS事件皆始於IT系統入侵,其原因為跨IT/OT系統與應用程式的連線功能越來越多,賦予OT網路及外界溝通能力的IT系統成為OT攻擊者的突破點,顯現部署合適的網路架構對於強化企業的網路資安防禦能力極其重要。


隨著物聯網技術的引入,PLC和HMI系統越來越頻繁地連接到互聯網,這使得它們更容易受到網絡攻擊,如惡意軟件、勒索軟體攻擊等。工業控制系統的網路安全成為一個不可忽視的問題,需要全面的安全防護措施。而在訪問控制層面上,也需要有效的身份驗證和訪問控制機制來防止未經授權的訪問和操作,保護系統免受內部和外部威脅。


PLC與HMI整合策略


圖三 : 未來PLC與HMI的整合將會更加緊密
圖三 : 未來PLC與HMI的整合將會更加緊密

在策略上,可以採用分步實施的策略,逐步整合PLC和HMI系統,並在每個階段進行測試和優化,以降低風險和成本。分步實施可以使企業在逐步推進數位轉型的過程中,不斷積累經驗和優化系統。而選擇有經驗和技術實力的系統整合與供應商,可以確保整合過程順利進行。專業的合作夥伴可以提供先進的技術和解決方案,幫助企業更好地實現數位化轉型。另外也必須加強網路安全措施,採取多層次的安全措施,包括防火牆、入侵檢測系統和數據加密等,保護系統免受網路攻擊。網路安全措施需要不斷更新和升級,以應對不斷變化的安全威脅。


結語

將PLC與先進的HMI系統整合,企業可以實現即時監控和控制。透過即時數據採集和分析,提升生產效率和產品質量。利用數據分析和機器學習,也可以做到預測性維護,提前預測設備故障,降低停機時間。也可以提高系統可視性,全方位的數據可視化,能幫助管理層做出更好的戰略決策。


PLC與HMI的結合是工業數位轉型的重要驅動力。透過導入先進的微感測器、物聯網技術及邊緣計算,企業可以實現更高效、更智能的生產管理。未來,隨著技術的不斷發展,PLC與HMI的整合將會更加緊密,為工業自動化帶來更多的創新和價值。


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