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新世代HMI设计趋势
打造最佳性价比

【作者: 王明德】2016年03月18日 星期五

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目前HMI最主要的应用领域,仍以工业自动化产业为主,由于早期的HMI用以显示大量开关、指示灯号、产线情报或故障警示等讯息,来取代传统开关与灯号元件,其功能局限在启动或停止某个设备;现在的HMI除了提高核心CPU的速度、多样化的显示画面之外,更必须提供多通讯埠以连接外部介面,进而达到讯息整合的目的。


尤其在自动化整合领域,厂商也迈向完整解决方案的提供者角色进行规画,因此各类设备之间的距离,从过去的单一产品贩售,也开始导向整合型服务迈进。


目前以亚洲市场来看,在工控产业上仍以日系产品为主流,但不论哪一国系列的产品,「稳定」与「可靠」均是工厂自动化产业设备的第一要项,当然在技术面上,供应商不断致力于产品功能规格的提升,以期能提供更多元的功能,协助使用者获致效益,但对于使用者而言来说,硬体功能的多寡并非必须,「稳定品质」才是第一要件。


作为与机器沟通的桥梁,HMI介面的整合性的确日趋重要,过去在工厂端应用,相关的操控均有独立的显示系统,HMI整合了各项表头,化零为整将操作单纯化;此外HMI随着传统产业的发展,在技术上目前的确逐渐走向顶点,但便利性绝对是它的最大价值,除了技术的进步,HMI的价值仍在于整合介面的「亲和力」。


由于HMI是直觉式操作的装置,在使用的过程中,绝对不能让操作者用起来麻烦;此外HMI最大的价值,在于可以将复杂的工作简化成直觉化的指令,由于HMI产品的生命周期长,必须让操作者已习惯的方式来运用,才能达到最大的效果。


稳定是第一要求

HMI重视的是「稳定」,所以在软硬体上也以此一需求进行设计,因此部份厂商的HMI产品并不会在效能面如VIDEO或其他较为复杂的架构有太多著墨,而是仍致力于HMI的稳定操作的能力。


除了稳定度之外,现在的HMI的另一个设计思维是整合,由于HMI是操作者面对机器设备的第一线,随着科技技术的进步,各式机械设备整合速度加快,加上架构与功能渐趋复杂,在此情况下,HMI也随之演进。


HMI从传统单纯显示工业设备的各项数值,到现在透过各种不同的图型化元件来进行显示与操作,这透露出HMI的角色重要性的提升,从过去与传统现场端工控设备连结,到现在与后端管理系统进行资料的整合交换,可以发现愈来愈多的要求直接赋予到HMI的身上。


自动化系统从工厂端到系统端,甚至现在可以连结到云端,HMI的角色已不仅是单机或生产线的控制输出入角色,资讯整合的「可视化」成为其发展趋势,从单纯的显示资讯到复杂生产系统前后端间的连接点,HMI必须能从不同系统中,存取需要资讯以供使用者参考,因此强化软体的连结与资讯的传输的扩充,就成为供应商在工厂自动化领域着力的重点。



图1 : 目前高阶HMI主要集中应用在半导体、面板产业等市场,这类市场主要仍以欧、日大厂的产品为主,一般厂商较难切入。
图1 : 目前高阶HMI主要集中应用在半导体、面板产业等市场,这类市场主要仍以欧、日大厂的产品为主,一般厂商较难切入。

由于近几年的发展趋势,就硬体技术面来看,目前的技术已足敷HMI使用,就此层面,HMI未来发展的最重要关键,基本上就落到了软体系统身上,过去在封闭的环境系统进行整合,可能需要添加多种设备才能完成通讯整合,在现在开放的架构下,由于资讯的处理较为透明,反而更能跨领域涵盖自动化的整合及资讯的串连。


业界人士指出,由于现代的工业自动化设备,所需求的功能是逐渐提升,现在HMI应该呈现的,不仅只是设备机台上的生产状况与异常对应,更需要M2M之间的连结,甚或能看到产线上所发挥的产能资讯整合,以及精准的控制产能状况。


软硬体水准提升 HMI角色日趋重要

不论是高阶或是入门级的HMI,其硬体水准均有不错的发展。像是近年来较大尺寸的触控面板,以及高画质、高解析度的视觉品质,在各家HMI厂商中,都成为其强调的产品特色。


业者分析,主要原因一方面受惠于面板产业技术的不断进步,解析度、透视度更高的面板产品不断出现,加上规模经济的发展,让面板水准愈高,但成本愈来愈低,让HMI的画质水准亦跟着不断提升;另一方面,基于市场需求,HMI已不再只是输出入的介面,即使入门级产品亦开始强化其资讯展示的功能,如此面板水准需求也跟着提升。



图2 : 由于设备的复杂度提升,M2M需求也跟着增加,HMI的角色逐渐从单机走向整厂控管介面。
图2 : 由于设备的复杂度提升,M2M需求也跟着增加,HMI的角色逐渐从单机走向整厂控管介面。

此外,由于设备的复杂度提升,M2M的需求也跟着增加,HMI的角色也逐渐从单机走向整厂控管介面,因此各家产品亦随着这项趋势,发展各类通讯介面,让HMI沟通更为顺畅。包括像是RS-232/485及Ethernet等工业通讯介面,甚或是USB、记忆卡等储存系统的连接埠,亦成为HMI的标准配备;这类介面让HMI与设备间沟通更加顺畅,整合到现在正流行的网路及云端科技,亦可以达成设备远端监控发展的目标。


由于硬体系统的技术发展,在近年来快速成长,HMI的硬体水准也逐渐趋近极限,厂商同时开始思考,如何建立产品的不可替代性。因此,软体系统也成为HMI厂商重视的层面。


在HMI软体系统普及发展的诸多因素中,技术的推动与市场需求同步带动了自动化产业的发展,而其中制造业的需求可说是成长主因,这也让HMI系统多朝自动化软体方向推进。制造业的发展,带来了对自动化软体需求的提升,也决定了自动化软体将由过去单纯的组态监控功能,向更高和更广的层面发展;有业者就指出,需求决定产品,只有满足需求的产品才有生存的空间,这是不变的规律。


整合通讯介面 让沟通更全面

在自动化系统整合的要求提升上,通讯介面的整合也是一项重点。由于现在的HMI并不仅只于做为输出入的介面,在工厂自动化的层次上,更强调必须即时反应与监控,尤其是远端监控沟通,这类功能绝对需要网路,其中Ethernet通讯介面、e-mail、Web Server 及FTP Server/Client等网路功能,已是HMI的基本配备,由于目前将「网路」是为工厂端主流配备已成为趋势,透过网路可让设备进行更直效的沟通,甚至跟PC端的SCADA等系统连结,均相当容易;或是针对类似于EtherCAT,已在欧洲有相当的占有率的通讯介面,供应商均透过这些介面的支援来扩展当地的市场。


通讯埠的增加,主要是因应目前生产线机台上所连结的设备愈趋复杂,在机台功能需求增加的情况下,以过去的人机通讯介面,将会陷入到处「配线」的窘境,因此预留扩充可能的通讯埠,让HMI得以全面整合生产线的整体控制;虽然在工控领域仍存在封闭式系统,但开放式的EtherNet将持续受到青睐,如此的发展趋势将是一定的,这也是工控领域在通讯介面得不断扩充的重要原因。


智慧工厂下的HMI

「传统的HMI角色相当固定,就是直接安装在机器设备上,显示设备的各种数值与操作介面,不过进入智慧工厂时代,事情开始有了转变。」艾讯企划部经理徐维骏指出,智慧工厂改变了生产思维,生产思维则改变了生产模式,以产品检测为例,以往的生产模式,是产品生产时,逐站检查产品品质,这种逐一检测的方式,往往要耗费大量时间,延迟出货速度,在智慧工厂的产线中,各设备所建置的感测器,在生产时即已自动检测产品,当原物料开始一离开生产环节,就已确认过品质,透过感测器快速且精确的检测,只是智慧工厂生产线的一环,未来所有的生产设备都会建入感测器,自行监测产品品质与设备状态,在此情况下,HMI会有何改变?



图3 : 艾讯企划部经理徐维骏指出,在智慧工厂趋势下,HMI在软硬体两端,都将开始改变。 (摄影/王明德)
图3 : 艾讯企划部经理徐维骏指出,在智慧工厂趋势下,HMI在软硬体两端,都将开始改变。 (摄影/王明德)

徐维骏指出,当生产线所有的设备都有感测器,感测数据的撷取累积将成为智慧工厂中最重要的流程之一,而HMI就会是负责集中、处理这些数据的重要平台,在此趋势下,HMI在软硬体两端,都将开始改变,在硬体方面,HMI的CPU等级势必开始提升,介面部份,则会有更多规格标准进驻,更高价值的HMI将会开​​始问世。



图4 : HMI逐渐走向垂直专业架构,以往一机适用于全部市场的方式已逐渐消失。 (摄影/王明德)
图4 : HMI逐渐走向垂直专业架构,以往一机适用于全部市场的方式已逐渐消失。 (摄影/王明德)

由这个趋势也可看出HMI这几年的市场走向,小尺寸萤幕的HMI在这几年开始陷入红海市场,尤其是大陆厂商大举投入后,小型HMI甚至开始以寸计价,面对利润极端微薄的竞争态势,台湾厂商开始调整产品重心,将产品往中高阶方向走,徐维骏指出,小尺寸HMI通常只有操作功能,技术层次并不高,因此价格成唯一诉求,中大尺寸的HMI则以多功能取向,更高功能代表其附加价值越高,在此市场,导入的企业不会只注重单一设备功能,而是全面考量HMI与其他设备整合后所产生的价值。


导入新技术 引发更多成长空间


图5 : HMI重视的是「稳定」,所以在软硬体上也以此一需求进行设计。近年来的工业自动化产品,随着电脑系统与周边技术的快速发展,产生了显著的改变,因应这项趋势,在未来「上位资料收集单元」与「现场设备」之间的关系将会愈加紧密,包括设备网路的提升,产线资料的e化,以及软体介面的统合等功能,将转换成自动化产业的标准功能,未来将持续开发智慧型周边、开发软体,以及更人性化的维护机制为目标,这已是厂商在HMI上发展的共通想像。
图5 : HMI重视的是「稳定」,所以在软硬体上也以此一需求进行设计。近年来的工业自动化产品,随着电脑系统与周边技术的快速发展,产生了显著的改变,因应这项趋势,在未来「上位资料收集单元」与「现场设备」之间的关系将会愈加紧密,包括设备网路的提升,产线资料的e化,以及软体介面的统合等功能,将转换成自动化产业的标准功能,未来将持续开发智慧型周边、开发软体,以及更人性化的维护机制为目标,这已是厂商在HMI上发展的共通想像。

至于未来发展,由于HMI现在所使用的处理器多与行动电话相似,在软体系统发展上,是否有可能导入像是现在Android系统的OS开放式介面,这可能将会对工控产业造成一定程度的冲击;行动电话的技术发展或许也是HMI的借镜对象,如此发展下去,HMI也将不仅只是HMI,相信会存在着更多的想像空间。



图6 : 现在的HMI并不仅只于做为输出入的介面,在工厂自动化的层次上,更强调必须即时反应与监控。
图6 : 现在的HMI并不仅只于做为输出入的介面,在工厂自动化的层次上,更强调必须即时反应与监控。
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