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HMI的軟硬體與I/O介面再定義
數位轉型全面襲來
[作者 籃貫銘]   2020年04月06日 星期一 瀏覽人次: [5037]

目前工業應用正進入數位轉型的時期,而HMI做為人與機械設備互動的橋梁,其軟硬體規格也將隨之有所不同。


工業控制的設備,一直是隨著實際應用的需求及新科技的導入,而不斷演進和轉變,人機介面(HMI)當然也是。目前工業應用正進入數位轉型的時期,而HMI做為人與機械設備互動的橋梁,其軟硬體規格也將隨之有所不同。


目前的數位轉型趨勢是全方位,包含第一線的生產機具設備,廠房內控制系統,到最上層的經營管理決策程序,其中所有的控制與通訊,都會被要求轉為數位的形式,也因此具備充分的數位資訊的顯示與處理能力,就成為目前HMI的基本條件。


顯示與操作

而從運作架構來看,傳統HMI的基本功能,就是安裝在可編程邏輯控制器(PLC)之前,用來顯示機台的工作狀態顯示(指示燈、文字、圖形等),並透過它來進行指令輸入的操作,以達成控制的功能。


到了數位化的智慧時代,這些基本的功能還是存在,但在處理的量與質都需大幅成長。首先,在顯示方面,多數據的可視化需求強烈,因此HMI要能夠更多的圖像化的資訊,以利生產流程的管理與廠房的控制,所以更大的顯示尺寸與更高解析的顯示面板就成為主流的規格。


另一方面,由於重視精確的視覺圖像,甚至更先進的應用還會使用3D模型,以提高現場人員的操作便利性,所以搭載更高等級的顯示解決方案或元件,也是目前HMI的發展趨勢。包含使用獨立的顯示晶片或新一代的整合型顯示晶片,以避免顯示延遲和運算緩慢的情形。


此外,為了搭配可視化風潮,並降低系統人員在資料可視化介面的開發負擔,諸多的HMI方案供應商也提供了視覺化界面的工具,甚至有專門的HMI可視化顯示介面方案的業者,以提供先進的顯示功能。


在操作方面,傳統的觸控操作依然是主流的介面,但控制的細緻程度必須大幅提升,例如導入多點的觸控方案,尤其是工業領域對於延遲和卡頓的狀況十分忌諱,因此提供流暢的觸控操作也是現代HMI設備的必備性能。


但隨著AR、VR,以及遠端控制應用的興起,HMI在操作介面的設計上,也需結合這類新興的裝置與應用,提供更多元的操作方式,例如語音和感測的技術。



圖1 : 多數據的可視化需求強烈, HMI要能夠更多的圖像化的資訊,以利生產流程的管理與廠房的控制。(source: smart HMI)
圖1 : 多數據的可視化需求強烈, HMI要能夠更多的圖像化的資訊,以利生產流程的管理與廠房的控制。(source: smart HMI)

I/O與通訊

智慧化是製造業數位轉型的目標所在,而產線現場的機台在落實智慧化的過程中,會面臨導入更多控制功能的局面,不僅需處理的訊號複雜度更高,同時所使用的資料量也較過往更多,因此與PLC之間的通訊技術就必須升級。


在這個需求下,現場總線(fieldbus)的技術和標準也就有了新的發展,其中一個最明顯的轉變,就是結合乙太網路規範,並推出新一代的工業通訊協議,包含EtherCAT、PROFINET、Ethernet/IP、Modbus TCP與Ethernet Powerlink等,都已被普遍運用在PLC裝置上,以強化傳統介面的不足,增加在訊號傳輸的穩定性與即時性。


也因此,具備這些新一代通訊協議介面,就是目前智慧時代的HMI設備的要件之一。


另一方面,由於企業的數位轉型十分仰賴大數據的分析,所以整廠,甚至整個企業活動的數據的收集,是其發展的關鍵所在,例如在工業領域常用的監控與數據收集系統(Supervisory Control and Data Acquisition System,SCADA)就是其中一種,也因此對大數據應用系統與程式的對接,也是HMI不可或缺的功能。


由於這類大數據系統都是以PC為執行的基礎,並結合網路瀏覽器的應用程式來作介面。也因此,HMI對於PC系統與網路瀏覽器的支援,就必須與時俱進。它可分為硬體與軟體兩方面,在硬體方面,主要是對PC通訊與資料輸入輸出的支援,包含HDMI、USB、GB等級的乙太網路RJ-45,無線通訊的Wi-Fi介面等;軟體系統則是常態的Windows與Linux架構,但必須增加更多的Web圖形化的支援能力,以及對於遠端與行動裝置的同步功能。



圖2 : HMI的應用與技術示意圖。
圖2 : HMI的應用與技術示意圖。

另外,在物聯網的趨勢下,更多的感測器也會被佈署至工業領域,建構所謂的工業物聯網(IIoT),因此HMI也要有對接這些感測系統的能力,無論是透過閘道器或者其他的方案,此設計彈性都是不能迴避的考量。


運算邏輯系統

隨著接取的資料越來越多,視覺化運算的需求也同步增加,對於邏輯運算系統的要求自然也會隨之提高,才能夠滿足更加吃緊的數據處理任務。在這個前提下,更高性能的嵌入式處理器(CPU)就會更普遍的被使用。


目前主流的低功耗嵌入式CPU方案,仍是以英特爾為多數,並以雙核心的架構是最常見的方案。此外,使用ARM架構處理器的方案在更功耗敏感的領域也很常見。但近期AMD在技術上急起直追,在嵌入式市場也漸展露頭角,HMI上的搭載能見度也明顯提高。


而過往嵌入式處理器的運作頻率多在1 GHz~2 GHz之間,但在前述的數位趨勢下,部分的大尺寸與高階應用的HMI方案就必須採用更高運算頻率的方案,部分的運算頻率已超過3 GHz,以克服大數據應用的挑戰。



圖3 : 對HMI的應用來說,軟體的進化可能是影響使用體驗最關鍵的項目。(source:siemens)
圖3 : 對HMI的應用來說,軟體的進化可能是影響使用體驗最關鍵的項目。(source:siemens)

當然處理器的效能提升,相對應的儲存與記憶體也要有所精進,才能讓資料處理的效能明顯提升,包含使用更高頻與高容量的主記憶體(SDRAM),內建更高容量的應用記憶體(SSD),更彈性的記憶體擴充方案,都是目前HMI裝置的運輯系統趨勢。


介面設計與編輯軟體

儘管數位轉型的需求帶動了硬體規格的提升。但對於HMI的應用來說,軟體的進化可能是影響使用體驗,以及降低操作與開發人員負擔最關鍵的項目。


這是因為在更複雜的數據流與應用程序的環境下,會增加HMI在可視化程式與介面設計上的困難,尤其是每個產線與工廠都有各自不同的資料與應用,因此使用易操作(直覺式)、模組化(拖放式)、開放性的整合編輯與設計工具,會是導入HMI系統時的重要考量。


另一方面,基於雲端運算、物聯網與行動式控制的需求,使用網頁式技術的操作介面也是未來必備的型態,因此採用HTML 5這類網路技術為基礎的操作介面設計,會是數位時代裡HMI開發的一大特色。這類型的Web HMI和Web APP的最大特色,就是具備跨平台的能力,這對身處物聯網時代的業者來說,會是重要的競爭力。


結語

數位轉型無疑會對製造流程裡的每一個環節產生影響,而HMI的角色因身處在設備與人員之間,所受的衝擊會更加明顯,再加上雲端與物聯網等新應用的導入,更改變了過往HMI的地位。


在角色與地位的雙重變化下,HMI無論是軟硬體和本身的應用功能都會有所不同,甚至是進一步整合廠房或產線上的其他設備。對開發者與採購者來說,整個設計與導入思維也要有所應對,才能實現數位轉型所擘劃的智慧未來。


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