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PLC+HMI整合人機加快數位轉型
AIoT世代工業聚焦環安衛奠基
[作者 陳念舜]   2024年07月08日 星期一 瀏覽人次: [627]

迎接國際ESG淨零碳排和永續壓力接踵而來,加上AIoT新興科技崛起,過去被歸類為「環安衛」三安和資安的定義與落地策略也有所不同。PLC+HMI身為現今AIoT場域的最底層,也勢必要善盡為創新應用服務奠基的角色。


在現行自動化應用場域中,可程式控制器(Programmable Logic Controller;PLC)與人機介面(Human Machine Interface;HMI)是最重要的兩個關鍵設備。隨著智慧工廠成為必然趨勢,實現IIoT的第一步就是讓生產機台的PLC設備資訊透過人機介面可視化。


加上傳統所稱的「環安衛EHS」概念,係指環境(Environmental)、安全(Safety)、衛生(Health)三者結合的簡稱,並透過持續監控企業在營運上是否符合內部所建立的環安衛管理系統,藉以預防、減輕及避免發生環境保護、安全衛生、職業危害等災害的風險。


但到了如今面臨全球供應鏈重組和消費者需求急劇變化,以及新世代勞工對於工作的價值觀改變、缺工等挑戰。位處工廠底層關鍵元件的可編輯程式控制器(PLC)、人機介面(HMI),也陸續獲得工業物聯網(IIoT)、OT+IT數位轉型、邊緣/雲端人工智慧(AI)等先進技術加持,創造該市場新一波的成長動能。



圖一 : 隨著智慧工廠成為必然趨勢,實現IIoT的第一步就是讓生產機台的PLC設備資訊透過HMI可視化。(source:凌華科技)
圖一 : 隨著智慧工廠成為必然趨勢,實現IIoT的第一步就是讓生產機台的PLC設備資訊透過HMI可視化。(source:凌華科技)

歐姆龍i-Automotion解決方案 支援工業物聯網10m內商機

包括日商歐姆龍公司(OMRON)也順勢推廣自家「i-Automotion」跨域自動化解決方案,以引領永續未來的智慧製造革新,且在製造業現場支援台灣廠商生產技術逐步演進,順勢導入碳中和、數位化等先進生產技術,以對應最終的ESG永續社會發展需求。


該方案既專注於投入支援廠內設置高度在10m以下的邊緣運算(Edge computing)終端場域,整合從基層感測器等輸入元件(Input)、設備控制器(Logic),直到伺服馬達/變頻器等輸出元件(Output)、工業機器人(Robot)和安全元件(Safety),合併簡稱為「ILOR+S」系列的20萬種產品、模組和獨有先進控制技術。



圖二 : 歐姆龍公司長期專注於投入支援廠內設置高度在10m以下的邊緣運算終端場域,整合從基層感測器等輸入元件(Input)、設備控制器(Logic)等。(攝影:陳念舜)
圖二 : 歐姆龍公司長期專注於投入支援廠內設置高度在10m以下的邊緣運算終端場域,整合從基層感測器等輸入元件(Input)、設備控制器(Logic)等。(攝影:陳念舜)

近期推出NJ/NX系列最新產品,NX502自動化控制器和NX-EIP201 EtherNet/IP單元以整合OT+IT控制、資訊與安全功能,強調可加快從PLC控制層上傳伺服器,並提供現場調試、運作、維護等資訊直到雲端管理應用的進度,讓整體製造流程速度足以因應產業多變需求。


尤其目前製造業為了有效提高產量,必須準確分析溫度、壓力和流速等資料,才能精準找到最佳加工條件,並將分析結果即時回傳給機器。卻常因為準確分析的前提,必須先按照時間順序,快速準確地收集大量高解析度資料,導致資料傳輸到資料庫時產生瓶頸,通訊頻寬常會不足。


如今,歐姆龍NX5控制器已提升資料傳輸能力為上一代型號的4倍,且經由同步收集所有EtherCAT I/O資料,確保抖動小於1μs;最多可安裝4個EtherNet/IP單元,每個單元的最大允許通訊頻寬為40,000 pps,以因應高容量通訊,將所有不斷增加的高解析度生產資料高速傳輸到資料庫;進而即時參考加工條件下的資料庫分析結果、更新命令值,最快可達到每250μs傳送一次到伺服馬達,內建電子凸輪進行平穩運動,促使多軸之間能進行高精度補間和相位調整。


最終得以在維持設備快速週期時間的同時預防不良品發生,並於生產過程就掌握產品品質和產量。NX5還配備線上監控PLC程式作動(APB)功能,收集和重播所有控制行為的資料,完全不影響控制生產,並從中快速分析、更容易找出問題的根源,將有助提高機器的可用性和整體設備效率。透過i-BRLT服務,連結製造現場數據與經營課題,以因應產業多變需求,打造新一代低碳智慧工廠。


另針對環(工)安衛、資安需求,歐姆龍也舉日本D社車用部品大廠的應用實績為例,當設備發生頻繁變化以響應需求波動時,在大型生產線中包括安全在內的系統會很複雜。一旦人員誤入,恐造成全部安全商品串接急停接點,導致全線停止,造成生產過程中的報廢品浪費。


如今則可將大型包裝生產線或車輛在焊接過程中,整合建構控制和安全系統在單一控制器,再透過通訊方式分開不同區域急停接點。倘若突然發生人員誤入情況之下,僅該區輸送馬達會自動安全減速,而不會影響到其它區的生產控制,消除報廢品發生與因為設計問題與不合理規定人員作業流程。


另外,CIP/EtherCAT網段的構建,也會使得線路的設計和變更變得靈活。歐姆龍還會提供控制器安全通信更新機制,徹底解決傳統PLC無法修正硬體的弱點,且安全通信功能可防止數據被竊聽或第三方竄改;PLC能長時間紀錄自動控制生產事件與同步影像功能,OMRON N系列產品還提供用戶授權與安全認證功能,符合國際安全標準IEC62443認證,得以最大限度降低駭客利用這些漏洞的風險


凌華屏控一體HMI 整合PLC、EtherCAT與物聯網

然而,若要進行生產設備數位化升級,難免會遇到如老舊或不同品牌生產機台,缺乏資料擷取自動化與異常回報功能、跨通訊協定難以溝通、HMI操作不友善,多樣化運動控制開發費力費時等諸多挑戰。


因此,針對常見廠房如下列不同情境,整合具備聯網、顯示與運動控制功能的PanKonix系列HMI觸控平板電腦便提供了相應優勢,能協助客戶更有效、快速的升級設備:


情境一、打通IT到OT,客製化智慧廠房

PanKonix為此提供點對點的 Modbus 通訊協議,可以在不同種類與品牌的設備和控制器之間傳輸數據,如 PLC、運動控制器和人機介面。支援服務導向的OPC UA、MQTT以及 RESTful API,能夠將機台數據與訊息從生產現場傳輸到雲端,連接各種如MES、SCADA、ERP與雲應用服務等,大幅減少IT人員標準化通訊協定所需的整合開發時間。同時能透過行動裝置遠端監控設備狀態,並在機台設備異常的時候,發送警示給廠務維護人員,減少因停機時間造成的損失。透過OT與IT的融合,為整間工廠做智慧升級。


情境二、設備數據可視化

PanKonix支援Modus標準,可廣泛支援多種如BECKHOFF、SIEMENS、TOSHIBA、OMRON等品牌的PLC,達成即時數據交換與數據可視化,讓設備狀態一目了然,透過有效提取OEE(Overall Equipment Effectiveness)生產資料,提升機台效能。


情境三、整合高階運動控制

PanKonix 內建凌華科技 SuperCAT 軟體定義的 EtherCAT 運動控制器,讓 PLC 系統無須花錢購買額外高階運動控制器,就能發出命令給各家品牌 EtherCAT 馬達驅動器。更可透過 ECAT IO 連接多種 EtherCAT IO 設備,能提供最高 125μs 控制週期、128軸精準的運動控制,並支援 APS 函數庫。此外 PanKonix 支援 Modus TCP/IP,可透過 GbE/USB 連接工業相機,可結合產線即時取像達成更多視覺整合應用。


情境四、透過即用型IIoT工業閘道器進行數位升級

當工廠已經擁有HMI,但需要設備網絡連接能力時,凌華科技還整合PLC的IIoT閘道器可以提供點對點的 Modbus 通訊協議,確保與各種 PLC 品牌的廣泛兼容性。此外,還提供了OPC UA、MQTT與RESTFul API,讓監測溫度、濕度、壓力、功率和水位所得連續數據,可以無縫傳輸到雲服務,輕鬆實現物聯網應用。


此外,凌華科技還能藉此成功協助電子零件製造業設備等製造商客戶,完成廠域通訊協議標準化、達到數位升級,實現一種解決方案就能同時連接PLC系統架構如沖床、壓床等生產設備,以及PC系統架構的印刷機、AOI 檢測機、點膠機台設備與IO模組數位化多種需求


設備。不但讓既有的PLC設備資料都可透過PanKonix連接且將數據可視化,諸如機台停機、異常、運行等OEE資訊,都能即時送到雲端服務加以監控分析。


更成功連接擴充設備時加入的 EtherCAT運動控制系統,讓PLC 能直接控制 EtherCAT 馬達與IO,無須額外購買運動控制器,就能提升製造效能。以更低的成本、更快速達成機器之間資料存取、採集、邊緣分析、異常訊息推播、雲端拋轉、機聯網等用途。在資料中心就能監控現場環境參數,即時掌握生產資訊,實現 IIOT 目標。


速博康HMI軟硬兼施 實現OT+IT數據標準化加值


圖三 : 速博康科技全球數據中心能源管理應用範例(source:速博康)
圖三 : 速博康科技全球數據中心能源管理應用範例(source:速博康)

速博康科技公司(NOVAKON Co., Ltd.)業務開發及產品行銷部副總經理黃弘毅指出,現今HMI因此具備兩大功能:


1.串接OT+IT的數據資訊,負責在整個IIoT網路體系裡上傳到雲端或IT層進行分析後,還可以再下傳指令到OT層PLC來進行操作;


2.圖形化介面及可視化、觸控軟體,有別於傳統閘道器缺少直覺的畫面,也看不到資訊,而能直覺按照客戶的要求來執行指令。


速博康所設計生產的HMI與IIOT Gateway硬體則分別搭載公司自主開發的自動化圖控軟體iFACE-Designer與工業物聯網軟體iM-Connect,能夠利用PLC drivers, MODBus, CANBus, OPC-UA等底層工業通訊協定,從各式各樣設備中的PLC控制器或I/O模組針對所需的參數與數據大量擷取,並進行基礎邊緣運算(Edge Computing)。


進而透過MQTT、Restful API、OPC-UA等各種IT通訊協定回傳至資料庫及雲端伺服器,將有價值的數據資料提供給上層SCADA軟體進行資料可視化(Data Visualization)以及AI軟體進行大數據分析,進而對設備效能進行最佳化調整,從而達到節能減碳。速博康公司產品目前也大量應用在能源產業、生產製造業與運輸物流業,涵蓋範疇一與範疇三的各項企業活動,協助客戶進行能源電力監控與設備生產數據採集與數位升級。


隨著目前AI伺服器資料中心需求增加,各地也不斷進行資料中心的佈建。其中關於HMI重要應用場景,就是將HMI裝在伺服器上進行電量的監控。客戶可以蒐集用電的行為、收集數據,並傳到雲端去進行大數據分析,如此就可以知道廠區用電的行為。再透過雲端將指令傳送回伺服器端,來進行最佳化的能源與電量管控。


速博康的HMI軟、硬體方案自2017年即已導入國際能源管理大廠針對Google、Facebook、Microsoft、Apple、AWS等全球各大雲端服務運營商的數據中心提供電力監控數據,至今全球裝置數量大約為10萬台;加上因為生成式AI運算需求大量增加,預估安裝數量在未來數年內仍會持續增長。


速博康科技最新推出NPP系列工業觸控電腦產品,也是全球首款通過西門子開放式、即用型的工業邊緣平台(Industrial Edge)認證的工業觸控電腦,其中包含各式應用程式、OT 及 IT 連接功能、邊緣設備以及中央管理系統,讓製造業 IT 變得簡單、可擴展且易於管理。透過內建OT和IT connectors 輕鬆整合生產設備與IT的資料來源。


透過將西門子工業邊緣軟體(Industrial Edge Runtime)整合到 NPP系列工業觸控電腦中,能完美支援SIMATIC WinCC RT,為產業提供優越的可視化及工業物聯網整合解決方案,使設備製造商或工廠產線主管能夠遠端連接、集中管理和操作已部署在生產線的設備,將為工業自動化帶來更大的靈活性和效能提升。


為設備和應用程式提供集中管理,並具有最大擴展性,可按實際需求彈性部署APP 及邊緣設備,無須影響既有的自動化系統。分析應用程式可提供生產效能的透明度,識別瓶頸或管理監控資源損,藉以提高整體設備效能(OEE)。對機器的持續分析可以在故障變得明顯之前檢測到預兆,從而實現預防性維護和計劃維護時段的最佳化。


泓格提供ESG真實數據 即時備援系統正常維運


圖四 : 泓格科技總經理鄭樹發(攝影:陳念舜)
圖四 : 泓格科技總經理鄭樹發(攝影:陳念舜)

泓格科技總經理鄭樹發表示,該公司近幾年來專注在智慧工廠I/O應用領域,提供節能所需監控元件、變頻器、逆變器等元件;或是用來監控儲能櫃溫度、電壓/電流、滲液等項目,協助不同場域客戶落實ESG碳盤查、節能有成。包含台灣超級電腦「台灣杉二號」的資料中心,也是透過泓格提供真實數據,來計算其中PUE(Power Usage Effectiveness)電力使用效率。


因此克服有許多電子、石化排碳大戶可能連自己在「範疇一」的電用在何處都不清楚的痛點,接下來還可能面臨供應鏈在「範疇三」會受到買主要求更積極減碳的壓力,包括IIoT和EMS管理系統最前端的智能電表也顯得越來越重要!甚至可與鼎新、精誠等顧問公司合作,協助建置能源管理系統(EMS)串連到戰情室的SCADA顯示,或將電表資料儲存在Edge端集中上傳,確保用電品質和用電量不會超過契約容量。


此外,基於工安重要性,泓格還能利用Edge數據提供紅外線裝置偵測配電盤溫度,瞭解設備即時狀態;執行門禁人臉辨識、監測員工的異常行為,納入資安管控領域。經過長時間累積數據上傳分析,具備設備預診或機器學習功能。


鄭樹發回顧泓格從生產Remote IO、PC-based IO元件起家,直到投入PAC產業發展迄今,已成為台灣唯一能協助提供石化業大廠DCS硬體所需的備援系統(Redundant),包含IO、通訊和控制器,藉此取代傳統由2台IPC+通訊卡組成架構,已通過10年驗證;更適用於水廠等小型化系統所需,不必受制於國際品牌大廠IPC,現也將Redundant IO逐步導入台灣的軌道信號監控系統。


**刊頭圖(source:us.misumi-ec.com)


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