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因应智慧趋势 HMI架构开始转型
[作者 王明德]   2018年05月02日 星期三 浏览人次: [10904]

作为制造系统中唯一的人机沟通桥梁,HMI的角色与功能都相当明确,不过在迈入工业4.0时代后,制造系统的概念开始转换,智慧连结成为必要设计,在此态势下,HMI的软硬体架构都必须面临改变,并开始转型。


硬体部分HMI包括处理器、显示单元、输入单元、通讯介面、资料储存单元等,其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低,是HMI的核心单元,根据HMI的产品等级不同,处理器可分别选用从单核到多核的处理器,使用者则依系统复杂程度来选购,一般来说,像晶圆厂或大型重工业者,选用多核心HMI的需求较高。


除了处理器外,HMI导入IT的最主要技术在输出入装置,首先是触控萤幕,触控萤幕取代了大部分的按键、滑鼠、键盘等工作,触控萤幕的优点是直觉式操作,学习曲线极短,不过,复杂性不如键盘与滑鼠、强固性不如按键,因此目前这三种输入技术仍并存混合使用,输出技术则包括USB与乙太网路埠,透过这些输出技术,HMI得以与系统进行无缝链结。


强化软体 提高附加价值

软体方面也分为两部分,即运行于HMI硬体中的系统软体和运行于PC设备Windows作业系统下的画面组态软体,使用者都必须先使用HMI的画面组态软体制作工程档再透过PC设备和HMI产品的串列通讯埠,把编制好的工程档载到HMI的处理器中运行。



图1 : 迈入工业4.0时代後,制造系统的概念开始转换, HMI的软硬体架构都必须面临改变。(Source:皮托科技)
图1 : 迈入工业4.0时代後,制造系统的概念开始转换, HMI的软硬体架构都必须面临改变。(Source:皮托科技)

现在Windows作业软体是HMI的主流系统,透过Windows软体与乙太网路,HMI的软体例如SCADA可与上层的MES、ERP等连结,真正做到资讯互流,提升工厂可视化,就目前趋势来看,未来的HMI产品在功能上的高、中、低划分将越来越模糊,功能则会越来越丰富,5.7吋以上的HMI产品将全部是彩色LCD,由于电脑硬体成本的降低,HMI产品将以平板PC电脑为HMI硬体的高阶产品为主,因为这种高阶的产品在处理器速度、储存容量、通讯介面种类和数量、连网能力、软体资源分享上都有较大的优势,是未来HMI产品的发展方向。


至于未来走向,进入智慧制造世代后,系统行销会以整体解决方案与应用服务为导向,在此状况下,附加价值将成最大重点,因此工业控制平台重心,将会从硬体转变为软体,在此一前提下,HMI也必须与时俱进,不再是强调硬体规格,而应具备高度客制化弹性。


HMI过去只做为制造现场内各区域的温度、湿度,乃至于各项机器设备的状态,透过主控系统监视并记录这些参数,以便即时处理异常事故,而以Open HMI、Softlogic等型式存在的HMI,将可为开放式语言量身订做,而不断被重复使用,只要稍作调整,随时都可扮演不同的专家系统角色;更重要的,HMI也不再只能透过黑白文字显示,从上而下通通走图像显示,不仅易于被使用操作,而且可以藉由与关联式资料库的串联,从而因应供应链、工厂及企业的需求变化,而即时呈现不同资讯。


距离越来越近的HMI与PLC

因此过去在制造系统中功能简单的HMI,未来在工业4.0架构,将拥有不可轻忽的延伸优势,为整体工厂及产品生命周期创造可观价值,因此有意转型至智慧制造的企业,可尝试朝软硬体并重的开发模型思考,让HMI一方面可以借助网页伺服器、FTP伺服器、OPC UA通讯、资料库的连结与检视,确保各式资讯能够被即时串流分享,另一方面可以透过警报检视器及发布系统,即时撷取底层设备、感测器所反应出来的问题,接着经由物联网、云端运算、行动装置等技术,以最快速度传递予管理者,利于管理者尽快修复所有来自于产线的疑难杂症。



图2 : 触控萤幕的优点是直觉式操作,学习曲线极短,目前已成为HMI的主输入技术。(Source:DirectIndustry)
图2 : 触控萤幕的优点是直觉式操作,学习曲线极短,目前已成为HMI的主输入技术。(Source:DirectIndustry)

HMI的另一个趋势是与PLC的整合将越来越深,PLC技术近年来朝开放式控制系统方向转移,尤其是在工业电脑的PAC刺激下,其脚步开始加速,PAC除了在灵活性方面比传统PLC具有截然不同的优势外,还具有其他优点,如能够缩短产品上市时间,降低系统投资成本,提升企业资讯流速度等。


目前许多PLC系统已经将操作人员面板和其他HMI系统一起使用,甚至在部分领域,PLC的逻辑处理功能已经被直接整合到HMI软体中,例如欧洲的B&R工业自动化,就将其操作面板进一步结合Compact PLC和HMI面板系统,并整合低价格机械控制和操作介面,该产品具备700kb的SRAM和1.2MB的FlashPROM记忆体,采用了IEC 61131-3标准的程式设计语言、ANSI C和B&R自动化Basic语言进行程式设计设计工作,其元件包括16通道I/O,所具备的6个可利用扩展插槽用于附加的数位量、类比量通道扩展以及通讯I/O模组。串列和CANbus介面也同样被包含在其中。


另外,义大利公司EXOR也将PLC和I/O模组嵌入到名为HMIcontrol整合系统,以此扩展其UniOP系列HMI操作面板,PLC完全与其所有UniOP产品相容,并使用了相同的、基于Windows平台、用于UniOP操作面板的组态软体包,由此来看,虽然PLC与HMI各有其独立功能,不可能将之整合成单一架构,不过在IT技术介入越来越深后,其部分技术与模组将可共用,而未来自动化系统的整合将会更加紧密,大幅提升其附加价值。


台湾方面,永宏电机旗下的P5系列HMI也可和自家PLC结合,在硬体上,P5和B1型态的PLC可背对背结合,如此可节省许多线材及空间,而软体上的结合,除了比起他牌人机和永宏PLC的组合,在通讯上有更高效能的表现外,有更多强大实用的功能,譬如P5是市售唯一可直接在人机画面读取永宏PLC阶梯程式的HMI,为客户在现场除错时,带来许多方便。


两种架构 各有优劣

在市场竞争方面,现在HMI市场主要分为两大区块,一是提供专业HMI产品,包括各大自动化厂商如西门子、施耐德、台达、北尔电子…等,另一类是工业电脑厂商像是研华、研扬…等,这两类的产品主要差异在于作业软体,专业HMI产品都以内建自家设计的作业软体,一上线就可用,工业电脑厂商的HMI,则只提供硬体,作业软体由系统整合业者自行设计。



图3 : HMI的软体可与上层系统等连结,真正做到资讯互流,提升工厂可视化。(Source: Siemens)
图3 : HMI的软体可与上层系统等连结,真正做到资讯互流,提升工厂可视化。(Source: Siemens)

这两种做法各有优劣,专业型HMI由于内建作业软体,系统整合商不必重新编写程式,因此导入的速度快,若需其他功能,HMI厂商也都有提供多样化功能模组,近年来智慧化概念当道,HMI厂商更设计出多种云端、可视化功能模组,让使用者可自行选择,不过优点的反面也是缺点,硬体绑软体的坏处就是开放性不足,使用者或多或少都必须牺牲本身系统的弹性,来配合HMI。


工业电脑的HMI做法则完全与之相反,工业电脑厂商的HMI并不配备作业软体,使用者可完全贴合自己的需求设计软体,不过既然要设计,当然就会需要程式撰写与上线后的一再调整试机时间,另外这种模式也会考验系统整合商的软体设计与日后维修能力,尤其是维修部分,若开发工程师未完整交接,就算仍拥有程式的原始码,日后要进行大幅度的软体维修,也会困难重重。


无论是专业式或工业电脑的HMI,未来都将走向智慧化,HMI将不再只是HMI,而会蕴含更多附加价值;制造商仅需借助容许高度客制化的HMI/SCADA,再搭配网路、感测器,让每一环节都能彼此共享相同的软体架构,再以弹性灵活的应用开发环境作为后盾,对工业4.0的转型,将可获得有效助力。


**刊头图片(Source: Automation World)


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