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人機介面4.0的未來主流
嵌入式及直覺式
[作者 /盧傑瑞]   2021年06月30日 星期三 瀏覽人次: [3645]

新一代HMI將以更新的技術和元件取代傳統的按鈕、指示燈和選擇器,並降低對大量顯示面板和電纜的依賴,透過先進的HMI功能加強對設備的監控來達到降低營運成本。


在近三年之間,人機介面(HMI)有了快速的發展,而功能性的先進成了市場中的一個差異化因素,重要性也變得越來越明顯,例如iPod或iPhone,就是直覺式人機介面的代表性應用,完全改變使用者對特定產品類型的認知方式。


透過集中和數位化來優化操作流程,讓使用者可在不同形式的圖形、聊天機器人或數位協助下,查看重要訊息。因此,可以觀察到越來越多的工業應用和自動化設備者,已經大幅度的導入先進人機介面,來提升產品的競爭力。


由於Apple或其他高階消費性產品操作介面改變的成功,刺激了許多工業用設備業者開始更加關注用戶操控介面的改善,使得新一代設備中的HMI嵌入更高階功能,和互動式等技術的需求快速增長,例如多點觸控螢幕和高功能性顯示器等。


此外,HMI的應用也已經擴大到各個領域,包括製造工廠、自動販賣機、食品和飲料行業、製藥和其他公用事業。例如在食品和飲料、包裝等各種應用產業領域中,採用自動化來提高營運效率,是促進人機介面市場大幅擴張的重要趨勢。


互聯網和工業4.0推動先進HMI需求成長

以前透過HMI與PLC的整合,雖然已經大幅度的改善操作人性化方便性與多功能性,但對於互聯網和工業4.0的興起,需要進一步的實現整個系統的監控和數據蒐集能力,讓技術人員更容易根據當下的狀態,選擇或調整工程參數。包括在金屬物件製造過程中,可以透過先進的HMI來控制切割或折疊金屬的方法、以及速度。在物流領域方面,HMI也可以提供庫存控制和進貨的智慧化,減少供應商的送貨次數。


根據市調公司Mordor Intelligence研究報告顯示,2020年全球人機介面市場規模約為37.1億美元,預計到2026年將達到72.4億美元,預測期間(2021~2026年)的複合年增長率為10.3%。新一代的HMI將以更新的技術和元件,取代傳統的按鈕、指示燈和選擇器,並降低對大量顯示面板和電纜的依賴,進一步透過先進的HMI,加強對設備的監控來達到降低營運成本。


而工業和消費產品透過互聯網來連接已是主流趨勢。根據世界銀行的統計,物聯網連接設備的數量,從2015年的154.1億台增加到 2017年的203.5億台,預計到 2023 年將大幅度成長達到511.1億台。工業4.0和工業物聯網(IIoT)的興起,使得無論是工業或消費性產品之間容易連接,因此將智慧型手機、智慧手錶變成行動式或可穿戴的HMI也變得更加容易。


今日的人機介面在操作友善化方面有著很大的進步,包括更為簡潔的直覺式圖形化、多功能的連接、更大的螢幕尺寸和多點觸摸功能,提供了更多的操作廣度,不僅是對設備當前狀態的操控,更進一步的,可用於改善設備整個作業的性能特性。


當生產線上計劃導入先進的人機介面時,應該注意的5個重點。包括:


1.必須是為了提高生產力和增加產量而設計。


2.可以提供使用者更好的直覺式操作,以及提供視覺化故障排除的建議,而非一堆艱深的文字說明。


3.提供強化的綜合性報告和資訊追蹤能力。


4.可以提供預防性的維護計畫和預警作用。


5.可以進行遠端存取、主動性維護、耗材識別和耗材訂購,來支援更高能力的設備自我監控。


嵌入式人機介面的導入速度正快速成長

現在大多數的人機介面都是嵌入式。嵌入式只是意味著螢幕是一體的,包括介面、觸控式螢幕(或PLC),有視訊的圖形驅動和一些處理資料的能力。這些功能性正逐漸成為主流,並且容易透過互聯網路與其他設備相互連接(圖1)。



圖1 : 嵌入式人機介面現在有更強的處理能力來改善訊息提供方式,例如,不再是過去會閃爍的警告燈,而是可以顯示設備的影像和更多資訊。(source:BW Flexible Systems)
圖1 : 嵌入式人機介面現在有更強的處理能力來改善訊息提供方式,例如,不再是過去會閃爍的警告燈,而是可以顯示設備的影像和更多資訊。(source:BW Flexible Systems)

現今的嵌入式人機介面可提供更多可即時顯示複雜資料的能力,如設備的OEE,可以在螢幕上和透過視訊方式立即主動顯示故障所在,並提供修復故障的機制。再加上安全和可靠地透過遠端連接到其他設備的能力;要具備這些能力,在過去必須先加裝非常昂貴的額外IT基礎設備,或工廠可視化的功能性套件。


目前來說,嵌入式HMI可能會使用一些商用電腦元件,但其硬體設計是為適應與工業應用相關的溫度和其他環境因素而定制的。再加上嵌入式作業系統無需佔用大量資源,而只需要承載HMI功能即可,所以只需要較低的處理能力和較少的記憶體即可。


嵌入式HMI也無須另外設置就可以使用,因此一體化觸控螢幕易於使用,與基於IPC的HMI元件相比,故障點較少,這有助於準備維護用的備品。無論是新專案還是為現有系統更換裝置,都可以實現快速安裝。


有了嵌入式人機介面之後,具有改善訊息或預警提供的方式和能力,透過提高速處理架構,就可以達到即時訊息分析和顯示系統整體資訊。例如可以顯示設備整體的影像,在故障位置發出指示訊號,提供操作者可以排除故障的指導步驟,完成解決故障和重置機器的步驟,而不是像過去幾年前,只能閃爍警告燈。這樣一來,就無需翻閱艱深難懂的操作手冊,能夠當場解決問題,大幅降低停機時間,提高操作效率(圖2)。



圖2 :  Smartlink人機介面引導操作員進行設置,並通過視訊為操作員提供常規維護任務的建議,減少停機時間。(source:Accraply)
圖2 : Smartlink人機介面引導操作員進行設置,並通過視訊為操作員提供常規維護任務的建議,減少停機時間。(source:Accraply)

高階的資訊分析和異常檢測

先進的HMI可以自我進行高階資訊分析。世界上的許多資料都是資料流和時間序列資料,其中的異常資料提供了指示緊急情況的重要資訊,包括預防性和預測性維護、故障檢測和監視等。


「異常」通常定義為系統行為異常,這與過去的觀念完全不同。異常可能是空間異常,這意味著該值超出了典型範圍。也可能是時間異常,儘管該值沒有超出典型範圍,但發生的順序卻不同。狀態標籤可以與異常關聯,並可將其分類為時間或空間。警示系統還可以根據優先順序、重要性和頻率分配加權值以預測故障。


因此,任何先進的HMI必須在本地進行必要的支援,並即時發送和接收消息,確保遠端設備資料是最新且有效的。例如,MQTT和Kafka之類的協定可以確保狀態通信,而Sparkplug B規範則處理狀態管理。


一旦進入雲端,就可以將現場資料進行整合,並與來自多個資料來源的資料合併。可以提供工廠同時考慮多種運營或單一整套設備,而不管其位置如何,基於雲端的過濾和分析模型,可用於完善資料以進行深度分析、預測行為和趨勢,例如設備的平均故障間隔時間(MTBF)或使用壽命。然後,可以將該資訊發送回部署在邊緣的HMI中運行的機器學習模型,以改善其生產作業。


受COVID-19影響和工廠遠距操控所需,帶動行動HMI需求

因為COVID-19的影響,促進對行動HMI的需求。舉例來說,採用高顯示能力面板下的先進HMI,可以與設備進行遠端連接並獲取所需的所有資訊,以便更深入地進行操控。並且強化遠端連接能力和簡化操作後,可不受作業環境因素的影響,提高工廠的整體生產力,所以這種對於設備的能力,在市場上的實現性備受期待。


而提高設備HMI的資訊可行動化能力,就能夠實現更多和更強大的應用。例如對大型設備進行操控時,就能讓設備中的資訊傳送到遠距離的可攜式操控終端上,反向當需要對設備下達指令時,就可以在行動化人機介面終端上,發送出完整的分步指令。


過去,在設備前面的HMI上送出分步指示,對於方便性沒有太大的幫助,但是有了行動化人機介面後,就能把指示呈現在可攜式操控終端上,同時可以縮短作業時間和步驟,以及優化整個作業過程,推動工廠效率和OEE。


因為COVID-19所帶來的遠距工作變化,這項技術可以讓作業人員在家裡或任何地點,透過視訊、音訊和影像從遠端進行維護和作業。所以,行動HMI的價值和效率是在整個應用及方便性獲得大幅提升,而且隨著時間的推移,將被用來提高營運的可見性和效率。因此,我們可以說的是,COVID-19的出現,確實加快了行動HMI的被採用和所帶來的價值性。


先進HMI將實現更高效的控制

從最初的自動化開始,HMI已經走過了很長的路。重要的是要了解到,老舊HMI的畫面已經不敷使用了。導入和實施高性能HMI升級,可以提高每個人(從作業人員到決策者)工作效率。因此,在開始進行提升HMI硬體和軟體時,需要考慮高性能HMI畫面,來發揮更好的控制製造過程和系統(圖3)。



圖3 : 現代HMI超越了簡單的視覺化,可幫助OEM和最終用戶管理資料傳輸並執行機器學習分析。(source:ADISRA)
圖3 : 現代HMI超越了簡單的視覺化,可幫助OEM和最終用戶管理資料傳輸並執行機器學習分析。(source:ADISRA)

毫無疑問,隨著時間的流逝,設備技術以及對製造過程的視覺化需求將繼續發展。由於設備變得越來越智慧,AI也不斷提高,業界會受益於高性能HMI操作介面帶來的優點。訓練有素的員工,能夠按照標準規範的畫面進行作業,並確保其在作業時的正確性與掌握系統訊息,這對獲得提高生產效率至關重要。


**刊頭圖(source:Direct Industry)


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