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HMI人機介面成為智慧廠房的遙控器
可視化持續進化中
[作者 季平]   2023年06月28日 星期三 瀏覽人次: [2626]

AI科技日行千里,帶動HMI逐漸朝高彈性、視覺性、可靠性發展。HMI軟體可以讓使用者在自己的裝置上存取HMI螢幕,還可支援移動裝置,使用者可以隨時隨地注意生產線狀態,或者透過遠端存取快速做出反應。


美商3M台灣子公司5月23日公布《3M全球前瞻趨勢2023年度洞察報告》,指出氣候變化與資源稀缺、人口結構和社會變遷,以及數位與實體世界的融合等三大趨勢將帶來契機與能量,其中,軟體、感測器、AI人工智慧和HMI人機介面將大幅應用,重塑工業、商業和人們的日常生活樣貌。


從市場變化看趨勢

HMI可以取代傳統按鈕、指示燈與選擇器,降低額外顯示面板和電纜需求,透過HMI可達到監控系統與數據採集的目的,有助大幅降低營運成本,因此有越來越多產線藉由HMI與PLC主導流程,如製造業、汽車業、食品飲料業、製藥業及公共設施等領域。


AI科技日行千里,帶動HMI逐漸朝高彈性、視覺性、可靠性發展。HMI軟體可以讓使用者在自己的裝置上存取HMI螢幕,還可支援移動裝置,使用者可以隨時隨地注意生產線狀態,或者透過遠端存取快速做出反應。


HMI搭配圖形元素、多語言支援,還能存取大量資訊(如訂單、影像與維修指示等),螢幕可以呈現深入資訊,使用者大可在生產線或機器之間同時以一部移動裝置監控生產流程。萬一觸發警報,使用者也無須花時間回溯操作狀況,HMI可以即時提供所需資訊,甚至在紀錄中留下評論或指引內容,方便與他人討論溝通及後續跟進。由於HMI內建功能可以防止未經授權的變更,大大提高使用過程的安全性,這些都是HMI為智慧廠房帶來的助益。


智慧廠房的痛點與可能解決方案

雖然HMI已然走向廠房「遙控器」的角色定位,仍有不少業者在使用及轉換HMI的過程中面臨這樣那樣的難處。


首先,隨著數位轉型腳步加快,業者常面臨到不知從何處開始「轉骨」的問題,又或者陷入IT與OT系統因為使用設備、語言差異等問題而無法有效溝通與整合,這時,同時具有OT與IT通訊協議的HMI軟體平台就能順利破冰,重新打造兼顧品質監控與生產排程規劃的操作平台。


另外一個常見的問題是工廠內自動化設備品牌眾多,不同廠牌的設備整合和鏈結工作有其難度,打掉重練太浪費,原地升級太疲憊,HMI具備智慧製造系統閘道器(Gateway)功能,可以快速擷取數據,再透過通訊網路傳送到後端,等於將不同設備商所負責的功能整合至一處,不僅可以大幅簡化系統架構,使用者也可以自定設備功能,在最短時間內摸索出最佳解決方案,甚至不須購置多款軟硬體設施,就能整合控制、閘道器、可視化等功能,減少投資成本、人力負擔,也避免空間佔用。


以凌華科技今年發表的All-in-One(控制/閘道器/顯示)HMI工業及觸控電腦- PanKonix系列來說,就標榜屏控一體,使用者無需添購IoT閘道器與運動控制PLC模組,機型包含10吋、15吋、21吋。


PanKonix可以讓閘道器的功能「消失」,既支援OT端的Modbus RTU、Modbus TCP/IP協定,也支援IT端的OPC UA、MQTT、RESTful API協議,同步滿足IoT資料蒐集及可視化、雲端上傳等需求,確保與90%以上的PLC驅動器通訊,至於最佳化雲端服務連線能支援 OPCUA、MQTT及RESTful API用於物聯網方面的應用。PanKonix還可以讓運動控制PLC模組的功能「消失」,將PLC與運動控制軟體化,即使是不諳OT的IT人員也能輕鬆入手,使用IT語法完成PLC編程,OT人員則能運用No Code/Low Code開發環境完成IoT編程。


硬體上,PanKonix以友達IP65面板為基底,外型設計為窄邊框電容式觸控螢幕,與傳統搭載電阻式螢幕的HMI風格明顯不同;軟體上,PanKonix內建可視化圖控軟體,便於使用者以直覺拖拉、表單設定方式輕易連結HMI程式元件與PLC、變頻器、馬達等多種設備的IO位址。圖控軟體中的向量圖檔可任意縮放,不失真,即使轉換螢幕尺寸也無需重新設計UI。


至於PanKonix內建的SuperCAT軟體可以取代實體卡,使用者透過標準EtherCAT就能控制多數品牌設備。SuperCAT可支援125μs EtherCAT控制頻率,與前一代傳統運動控制卡相比達兩倍速,可控軸數也從64倍提升至128倍,而且支援IEC 61131-9協定。



圖1 :  PanKonix Series-HMI Panel PC具備工業級HMI觸控平板電腦整合控制、閘道及顯示功能。(source:凌華)
圖1 : PanKonix Series-HMI Panel PC具備工業級HMI觸控平板電腦整合控制、閘道及顯示功能。(source:凌華)

除了數位轉型,隨著綠色製造、淨零碳排與ESG大浪襲來,製造業還需要克服零碳轉型的進階痛點,排除空氣品質監測、溫室氣體排放檢測/管制、碳盤查與碳足跡追蹤、優化能源使用率等相關問題。而這些新「參數」同樣需要納入IT與OT系統,將數據傳送到ESG演算法核心,所幸透過HMI可以優化各種協作效率。


隨著AI科技快速進化,智慧廠房在運作流程中更加依賴HMI,多元化人機介面可以同步解決數種問題,比方模組化設計的多點觸控面板電腦及工業級顯示器就能提供雙螢幕顯示功能,透過寬螢幕設計擴充HMI的可視範圍,讓使用者可以同時查看多個程式視窗,提高生產力與效率。


台達電子推出的C2000-HS高速變頻器即採用新世代功率半導體元件,搭配高速馬達控制技術,變頻器效率提升1.2%,馬達能耗降低2-8%,淺顯易懂的HMI可視化介面能明確引導磁浮馬達組裝順序,解決產品開發或組裝過程中因為複雜軟硬體架構導致的時程延宕。



圖2 : 台達電子高頻電機驅動器C2000-HS系列。(source:台達電子)
圖2 : 台達電子高頻電機驅動器C2000-HS系列。(source:台達電子)

HMI可視化進階中:機器視覺、圖形化+聯網功能與多協議轉換

HMI可視化已成為智慧廠房不可或缺的助攻配備,在既有的整合控制、閘道器、可視化、跨平台、多語言等基本配備下,HMI軟硬體逐步朝圖形化升級、進階聯網功能、多協議轉換邁進,HMI也出現AR/MR、數位孿生等進階技術應用,從IoT到AIoT,層層堆疊新的HMI軟硬體核心價值,帶動HMI可視化相關軟硬體緩步升級。


新世代HMI高度仰賴邊緣人工智慧(AI)才能發揮新功能,除了AR/VR的應用,也加入人臉辨識對機器進行控制存取,或者藉由手勢辨識進行非接觸操作,甚至加入機器視覺等邊緣AI功能以提高HMI分析系統狀態、狀況預測及維護預測方面的精準度。


因此,設計HMI應用程式時,勢必將邊緣AI應用程式開發及處理器功能納入其中,還須兼顧散熱性、電源能耗與使用壽命等細節。此外,隨著感測器、多元裝置進駐智慧廠房,HMI的連接性和控制功能也有必要進一步提升,以強化人機通訊品質。


前述種種需仰賴強大的處理器,是以,高效處理器也將成為新世代HMI的強大助力之一,如搭載四核心 Arm Cortex-A53或AM62處理器即可大幅增強邊緣AI功能,以AM62處理器來說,可支援多種顯示介面,如RGB888、2K及超高畫質顯示介面,全面提升HMI效能。


瑞典商HMS Networks集團台灣總代理司騰達(BHP Industry Solution)指出,隨著AIoT工業自動化與邊緣運算導入設備管理軟體,逐漸改變HMI Process可視化軟體的功能,除了連結工業自動化PLC的各式通訊協議與周邊基礎設備,少不了管理和數據可視化功能,連同紀錄、蒐集資訊及產出報表、處理及回饋警報等功能,而這些功能已然成為工業自動化機台設備或IoT平台架構、雲端連結中的標配。


隨著聯網、上雲與跨平台、遠端應用成為HMI新日常,資安問題也連帶受到重視。同時,HMI可視化軟體也需要保持對主要現場總線通信協議的開放性,使用開放及公認的市場技術標準(如HTML5、SVG、XML),並保有使用介面的靈活、跨平台整合性與安全性。


此外,在多元、少量多樣趨勢下,廠房產線需要對所有客戶端更為友善便利的可視優化屏幕,才能節省編程時間,這部分需要更好的驗證技術才能推動可操作應用程序變得更加簡單。


西門子(SIEMENS)HMI基本型裝置可以提供絕佳的顯示品質及高功率視覺化,在安裝及工程規劃過程中節省寶貴時間;高階型HMI舒適型面板設計可以實現機器層級的高性能視覺化應用及整合介面;製程可視化圖形監控系統WinCC V7具有監視自動化過程的高性能,使用者可在不同語言間切換,可為不同行業、高度複雜的可視化任務及SCADA應用程序提供完整功能。


WinCC內建所有HMI功能與開放介面,提供連接控制器與AllenBradley Ethernet IP、Modbus TCP/IP、Mitsubishi MC TCP/IP所需重要通訊通道,還能支援不同廠商通訊,如PROFIBUS/PROFINET與OPC等,以及用於資料歸檔的MS SQL Server協助資料交換,可同步支援IT及商務整合。



圖3 :  SIEMENS HMI人機介面。(source:BHP Industry Solution)
圖3 : SIEMENS HMI人機介面。(source:BHP Industry Solution)

換位思考:HMI一站式解決方案

智慧廠房與AI、物聯網結合為必然趨勢,技術面更重視電腦視覺、邊緣運算及精準控制,未來的智慧廠房將出現網路、感測器、PLC、硬體與雲端服務串聯的龐大系統,不論是傳統廠房數位轉型或是處於新舊軟硬體整合升級的哪個階段,不少業者都會陷入做與不做或如何做最有效的掙扎,即便砸下重金更換HMI軟硬體,使用者端能否同步升級,熟悉操作與運作流程?變與不變的轉換成本需要精打細算。


HMI供應商北爾電子提出另一種思維模式,也許直接更換HMI系統,透過HMI平台內含各大通訊軟體與常見通訊協議的優勢,就能在不改動控制器程式的狀態下進行資料擷取,重點是不需讓生產線停擺就能完成全產線升級,如北爾電子的HMI及Gateway平台可在不停機下裝設完成,可對接市面上95%以上的工業通訊協定,輕鬆解決整合問題。


工業電腦廠維田在2023年台北國際電腦展(COMPUTEX 2023)中展出HMI人機介面、觸控式工業電腦、觸控式工業顯示器等解決方案,以全防水不鏽鋼工業電腦及HMI人機介面工業電腦為產品核心,提供特殊工業場域的解決方案,如加裝戶外日光可視設計、模組化擴充設計等,為HMI注入更多創新能量。


更為開放、永續及高效的新一代智慧廠房正在建構的路上奔跑,一如美商3M台灣子公司指出軟體、感測器、AI人工智慧和HMI人機介面將重塑工業、商業和人們的日常生活樣貌,可預見的未來,HMI人機介面將如智慧型手機,成為智慧廠房的另一台「遙控器」,少了這台遙控器一如少了一把鑰匙,開不了新世界的大門。


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