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因應智慧趨勢 HMI架構開始轉型
[作者 王明德]   2018年05月02日 星期三 瀏覽人次: [1614]

作為製造系統中唯一的人機溝通橋梁,HMI的角色與功能都相當明確,不過在邁入工業4.0時代後,製造系統的概念開始轉換,智慧連結成為必要設計,在此態勢下,HMI的軟硬體架構都必須面臨改變,並開始轉型。


硬體部分HMI包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊介面、資料儲存單元等,其中處理器的性能決定了HMI產品的性能高低,是HMI的核心單元,根據HMI的產品等級不同,處理器可分別選用從單核到多核的處理器,使用者則依系統複雜程度來選購,一般來說,像晶圓廠或大型重工業者,選用多核心HMI的需求較高。


除了處理器外,HMI導入IT的最主要技術在輸出入裝置,首先是觸控螢幕,觸控螢幕取代了大部分的按鍵、滑鼠、鍵盤等工作,觸控螢幕的優點是直覺式操作,學習曲線極短,不過,複雜性不如鍵盤與滑鼠、強固性不如按鍵,因此目前這三種輸入技術仍並存混合使用,輸出技術則包括USB與乙太網路埠,透過這些輸出技術,HMI得以與系統進行無縫鏈結。


強化軟體 提高附加價值

軟體方面也分為兩部分,即運行於HMI硬體中的系統軟體和運行於PC設備Windows作業系統下的畫面組態軟體,使用者都必須先使用HMI的畫面組態軟體製作工程檔再透過PC設備和HMI產品的串列通訊埠,把編製好的工程檔載到HMI的處理器中運行。



圖1 : 邁入工業4.0時代後,製造系統的概念開始轉換, HMI的軟硬體架構都必須面臨改變。(Source:皮托科技)
圖1 : 邁入工業4.0時代後,製造系統的概念開始轉換, HMI的軟硬體架構都必須面臨改變。(Source:皮托科技)

現在Windows作業軟體是HMI的主流系統,透過Windows軟體與乙太網路,HMI的軟體例如SCADA可與上層的MES、ERP等連結,真正做到資訊互流,提升工廠可視化,就目前趨勢來看,未來的HMI產品在功能上的高、中、低劃分將越來越模糊,功能則會越來越豐富,5.7吋以上的HMI產品將全部是彩色LCD,由於電腦硬體成本的降低,HMI產品將以平板PC電腦為HMI硬體的高階產品為主,因為這種高階的產品在處理器速度、儲存容量、通訊介面種類和數量、連網能力、軟體資源分享上都有較大的優勢,是未來HMI產品的發展方向。


至於未來走向,進入智慧製造世代後,系統行銷會以整體解決方案與應用服務為導向,在此狀況下,附加價值將成最大重點,因此工業控制平台重心,將會從硬體轉變為軟體,在此一前提下,HMI也必須與時俱進,不再是強調硬體規格,而應具備高度客製化彈性。


HMI過去只做為製造現場內各區域的溫度、濕度,乃至於各項機器設備的狀態,透過主控系統監視並記錄這些參數,以便即時處理異常事故,而以Open HMI、Softlogic等型式存在的HMI,將可為開放式語言量身訂做,而不斷被重複使用,只要稍作調整,隨時都可扮演不同的專家系統角色;更重要的,HMI也不再只能透過黑白文字顯示,從上而下通通走圖像顯示,不僅易於被使用操作,而且可以藉由與關聯式資料庫的串聯,從而因應供應鏈、工廠及企業的需求變化,而即時呈現不同資訊。


距離越來越近的HMI與PLC

因此過去在製造系統中功能簡單的HMI,未來在工業4.0架構,將擁有不可輕忽的延伸優勢,為整體工廠及產品生命週期創造可觀價值,因此有意轉型至智慧製造的企業,可嘗試朝軟硬體並重的開發模型思考,讓HMI一方面可以借助網頁伺服器、FTP伺服器、OPC UA通訊、資料庫的連結與檢視,確保各式資訊能夠被即時串流分享,另一方面可以透過警報檢視器及發布系統,即時擷取底層設備、感測器所反應出來的問題,接著經由物聯網、雲端運算、行動裝置等技術,以最快速度傳遞予管理者,利於管理者儘快修復所有來自於產線的疑難雜症。



圖2 : 觸控螢幕的優點是直覺式操作,學習曲線極短,目前已成為HMI的主輸入技術。(Source:DirectIndustry)
圖2 : 觸控螢幕的優點是直覺式操作,學習曲線極短,目前已成為HMI的主輸入技術。(Source:DirectIndustry)

HMI的另一個趨勢是與PLC的整合將越來越深,PLC技術近年來朝開放式控制系統方向轉移,尤其是在工業電腦的PAC刺激下,其腳步開始加速,PAC除了在靈活性方面比傳統PLC具有截然不同的優勢外,還具有其他優點,如能夠縮短產品上市時間,降低系統投資成本,提升企業資訊流速度等。


目前許多PLC系統已經將操作人員面板和其他HMI系統一起使用,甚至在部分領域,PLC的邏輯處理功能已經被直接整合到HMI軟體中,例如歐洲的B&R工業自動化,就將其操作面板進一步結合Compact PLC和HMI面板系統,並整合低價格機械控制和操作介面,該產品具備700kb的SRAM和1.2MB的FlashPROM記憶體,採用了IEC 61131-3標準的程式設計語言、ANSI C和B&R自動化Basic語言進行程式設計設計工作,其元件包括16通道I/O,所具備的6個可利用擴展插槽用於附加的數位量、類比量通道擴展以及通訊I/O模組。串列和CANbus介面也同樣被包含在其中。


另外,義大利公司EXOR也將PLC和I/O模組嵌入到名為HMIcontrol整合系統,以此擴展其UniOP系列HMI操作面板,PLC完全與其所有UniOP產品相容,並使用了相同的、基於Windows平台、用於UniOP操作面板的組態軟體包,由此來看,雖然PLC與HMI各有其獨立功能,不可能將之整合成單一架構,不過在IT技術介入越來越深後,其部分技術與模組將可共用,而未來自動化系統的整合將會更加緊密,大幅提升其附加價值。


台灣方面,永宏電機旗下的P5系列HMI也可和自家PLC結合,在硬體上,P5和B1型態的PLC可背對背結合,如此可節省許多線材及空間,而軟體上的結合,除了比起他牌人機和永宏PLC的組合,在通訊上有更高效能的表現外,有更多強大實用的功能,譬如P5是市售唯一可直接在人機畫面讀取永宏PLC階梯程式的HMI,為客戶在現場除錯時,帶來許多方便。


兩種架構 各有優劣

在市場競爭方面,現在HMI市場主要分為兩大區塊,一是提供專業HMI產品,包括各大自動化廠商如西門子、施耐德、台達、北爾電子…等,另一類是工業電腦廠商像是研華、研揚…等,這兩類的產品主要差異在於作業軟體,專業HMI產品都以內建自家設計的作業軟體,一上線就可用,工業電腦廠商的HMI,則只提供硬體,作業軟體由系統整合業者自行設計。



圖3 : HMI的軟體可與上層系統等連結,真正做到資訊互流,提升工廠可視化。(Source: Siemens)
圖3 : HMI的軟體可與上層系統等連結,真正做到資訊互流,提升工廠可視化。(Source: Siemens)

這兩種做法各有優劣,專業型HMI由於內建作業軟體,系統整合商不必重新編寫程式,因此導入的速度快,若需其他功能,HMI廠商也都有提供多樣化功能模組,近年來智慧化概念當道,HMI廠商更設計出多種雲端、可視化功能模組,讓使用者可自行選擇,不過優點的反面也是缺點,硬體綁軟體的壞處就是開放性不足,使用者或多或少都必須犧牲本身系統的彈性,來配合HMI。


工業電腦的HMI做法則完全與之相反,工業電腦廠商的HMI並不配備作業軟體,使用者可完全貼合自己的需求設計軟體,不過既然要設計,當然就會需要程式撰寫與上線後的一再調整試機時間,另外這種模式也會考驗系統整合商的軟體設計與日後維修能力,尤其是維修部分,若開發工程師未完整交接,就算仍擁有程式的原始碼,日後要進行大幅度的軟體維修,也會困難重重。


無論是專業式或工業電腦的HMI,未來都將走向智慧化,HMI將不再只是HMI,而會蘊含更多附加價值;製造商僅需借助容許高度客製化的HMI/SCADA,再搭配網路、感測器,讓每一環節都能彼此共享相同的軟體架構,再以彈性靈活的應用開發環境作為後盾,對工業4.0的轉型,將可獲得有效助力。


**刊頭圖片(Source: Automation World)


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