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可視化+雲端 打造新世代HMI全新面貌
[作者 王明德]   2018年05月02日 星期三 瀏覽人次: [1701]

HMI在自動化製造系統中,是唯一的圖形化人機介面,過去HMI主要是連接PLC、變頻器、直流調速器、儀錶等工業控制設備,利用顯示螢幕顯示,透過觸控式螢幕、鍵盤等輸入設備,輸入工作參數或操作命令,讓人與機器的資訊得以交流。不過,在智慧製造趨勢下,HMI的角色將會開始改變。


就市場發展態勢來看,雲端與可視化將會是下一世代製造系統的既定趨勢,透過工業物聯網架構,讓底層機台具備訊號擷取能力,並將所取得的資訊往上傳送,讓雲端平台儲存、分析相關資訊,從而制定出最佳化生產策略。而此一系統運作過程,設備的資訊不但必須快速流動,而且不同階層的管理者都可透過經授權過的設備,在任何時間、地點查看到相關數據,透過可視化願景的落實,提升製造系統效益。在雲端與可視化趨勢中,HMI的角色與功能也會同步進化。


HMI新角色–邊緣運算

台達電子機電事業群運動控制事業部總經理蔡清雄博士就指出,從HMI的Human Machine Interface可以看出,最早之前的設備定義是人與機器的互通介面,不過在工業4.0架構中,製造系統之間需要互通資訊的,已不只是人與機器,機器與機器(Machine to Machine Interface;MMI)、機器與雲端(Cloud to Machine Interface;CMI)也會是系統運作時相當頻繁的工作,而在此定義的改變下,HMI的功能也會隨之改變,過去僅做為控制設備數據顯示的功能將會進一步延伸,強化其運算處理能力,扮演工業物聯網架構中,邊緣運算(Edge Computing)與閘道器(Gateway)的角色。


除了台達,北爾電子市場開發經理何輔仁也認為,邊緣運算將會是HMI未來的重要功能之一,他進一步指出,導入的製造業者必須釐清,HMI與後端系統的運算資料歸屬,也就是那些資料要上雲?那些資料留在終端即可,當然HMI與後端系統連接已成趨勢,不過雙方的傳輸並不一定要時時同步。對此蔡清雄表示,製造現場的設備運作快速,對即時性的需求相當高,不可能由後台的雲端系統負責控制,雲端平台的資訊分析,主要是透過產能的數據,分析制定出整體製程的改善方向,當下的即時指令,必須由位於現場、可精準掌握產線狀況的HMI負責,方能讓決策品質最佳化。


不過蔡清雄認為,製造業對雲端HMI的需求目前仍未浮現,主要原因在於使用者對雲端系統帶來的價值,仍抱持觀望態度,雲端系統必須建構整體系統,而非只需添購一部HMI,但架構整體系統不但成本高昂,系統上線之後像是通訊、維修等費用也會開始產生,另一方面則是系統廠商宣稱的服務內容,各製造業者都已有自己的一套運作模式,或許效能不如新系統高,不過一來運作時間久,熟悉度已高,二不必像新系統建置,必須在初期就投入大量成本,因此製造業者都仍抱持「能用就用」的心態,而這些實際面的考量,都是雲端系統發展速度較慢的原因。


整合IT系統 落實可視化願景

至於可視化部分,何輔仁指出HMI未來扮演的閘道器角色,將彙整上傳底層設備擷取的資料至資料中心(Database),供後端IT系統查看、分析,因此HMI必須與資料中心緊密連結,目前北爾就與第3方資料中心業者合作,提供相關服務,另外北爾的DashBoard平台,也可讓管理者即時掌握各端點訊息,透過雲端擷取各端點上傳的數據,載透過特殊設計的介面平台,顯示所選擇的端點數據,為企業打造出精準的戰情庫。


除了後端IT系統的可視化外,現場的可視化則是與MES的鏈結,透過這兩者的結合,讓自動化系統產生了更多附加功能,包括生產追蹤管理、品質管理、零配件管理、機台預修保養、物料管理、報表入口網頁、載具管理等,以下就這些工廠可視化的管理功能進行分析。



圖1 :  台達電子機電事業群運動控制事業部總經理蔡清雄指出,HMI的功能將會進一步延伸,強化其運算處理能力,扮演工業物聯網架構中,邊緣運算與閘道器的角色。(照片提供/台達電子)
圖1 : 台達電子機電事業群運動控制事業部總經理蔡清雄指出,HMI的功能將會進一步延伸,強化其運算處理能力,扮演工業物聯網架構中,邊緣運算與閘道器的角色。(照片提供/台達電子)

生產追蹤管理是工廠可視化的核心,利用建置在產線上的讀取器讀取每個產品批號,紀錄每批產品的進出產線時間,目前的產品批號以條碼為主,作業人員持掃描器讀取資料,未來若RFID成為供應鏈主流技術,則貨品讀取會更快,多家HMI廠商也將RFID列為未來重點發展規格。生產追蹤管理讀取產品訊息後,利用網路將訊息即時送往後端系統,廠管人員可即刻在HMI上追蹤工單(Work order)進度,另外也可利用此系統進行生產順序排程,掌握出貨順序,生產追蹤管理是工廠可視化的核心功能,其他功能都是圍繞此模組建置出來。


品質管理是SCADA所延伸出來的功能之一,在生產過程中蒐集資料,並運用統計的分析方式,即時發現異常的現象加以處理,以降低生產損失,品質管理系統可區分為幾個部分,包括資料蒐集、統計檢驗、呈現、處置等,資料蒐集由生產追蹤管理負責,統計檢驗則代表質管理系統所能提供的檢驗規則,當系統檢驗出不良品趨勢增高後,便顯示在HMI上,通知生產工程師進行處理。


零配件管理主要負責工廠中所有機台與零配件的管理,並建立與生產過程之間的互動關係,因此關於生產中的零配件及零配件庫存管理都是相關的項目,零配件的系統規劃目標應該包括機台基本資料維護、生產追蹤管理模組整合、零配件進出與庫存管理,在後端電腦上,也將所有機台進行顏色管理,利用不同顏色標示機台狀況,讓管理者不在現場也能即時監控生產狀況。


機台預修保養系統是保養工序中最重要的軟體工具,將機台與零配備的設定、型態、群組等資料建入系統後,系統會依設定的時間如日、週、季、年等時間自動通知保養人員,例如以電子郵件的發送,提醒保養人,除了主機台外,重要零配件也可列入系統一併保養,此外每次保養的歷史紀錄也會存檔,供企業存查,以往這些功能都僅建置在後端系統介面,不過在HMI規格被強化後,也可兼具此功能,事先輸入自動化系統的零配件維修週期,時間一到即提醒現場人員進行維修。


在軟硬體架構方面,蔡清雄認為,近年來AI技術已然成熟,未來將會應用在製造業中,擁有AI運算能力的HMI,可透過深度學習,讓工業物聯網系統中的設備,具有自我診斷能力,他也指出,現在HMI的運算核心,已足以負荷工業物聯網的資料量,不過隨著整體系統的演進,未來HMI也會開始走向多核心,至於通訊埠的應用,由於必須與後端IT系統鏈接,何輔仁指出乙太網路埠仍是必備,其他的序列式通訊標準像是RS232、RS485等仍是必備,至於現場總線介面,就視各家設備應用選擇,整體來說,HMI的通訊變化並不大。


市場持續展開 HMI穩定成長

面對工業4.0趨勢,台達的工控產品近年來也加快智慧化腳步。在HMI部分,蔡清雄表示未來將會擴大整合面,賦予HMI更多功能。他進一步表示,未來的HMI會像現在的智慧手機,雖然仍具有通話功能,不過在有各種App程式後,智慧手機已不斷延伸出拍照、上網、收發電子信件…等功能,HMI也會是如此,除了現有的設備控制外,在智慧製造系統下,強化過後的HMI將會被附加更多功能,例如內建條碼讀寫器、相機。台達的HMI目前也往這個方向走,近期將會推出相關機種。



圖2 :  北爾電子市場開發經理何輔仁表示,HMI必須與資料中心緊密連結,讓後端IT系統可查看、分析資訊。(攝影/王明德)
圖2 : 北爾電子市場開發經理何輔仁表示,HMI必須與資料中心緊密連結,讓後端IT系統可查看、分析資訊。(攝影/王明德)

整體來看,與IT系統的鏈接,讓現場設備的訊息可視化,將會是HMI在智慧製造變革中的第一個轉變,不過要達到此一功能,前提是所有設備的數據都可被擷取。而這正是目前智慧製造系統建構時最困難的一步,由於多數老舊機台並沒有感測器,要外加相關的功能模組也不容易。不過現在各界都正努力克服此一問題,例如經濟部智慧機械辦公室,就在今年起展開5年計畫,預計推動9,000台以上機器安裝Smart Machine Box(SMB),加裝SMB後,業者的設備可立即實現聯網功能,以進行機器連線及收集生產資料,讓生產管理變成可視化、生產排程優化,至於雲端部分,目前製造商雖多處於觀望態度,不過從長期來看,這仍然是明確趨勢,只是製造業者的做法不同於一般消費性產品,會在短時間集體汰換舊設備,不是逐步替換,就是在新產線或新廠房建置時,再一併規劃,因此雲端在製造系統的成長不會是一夕爆發,而是緩步成長,未來的發展仍然樂觀。


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