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軟硬架構同步進化 新世代HMI已然成型
 

【作者: 王明德】   2019年04月15日 星期一

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圖1 : (source:B&R Industrial Automation)
圖1 : (source:B&R Industrial Automation)

在全球人力成本日漸高昂,製造業對自動化技術的倚賴越來越深,外在的市場需求提升與內部技術的快速進展,讓生產設備在製造業的體系中,產生了與以往截然不同角色變化,其中長期以來均扮演人機兩端介接橋樑的HMI,也在這波變革中有了重新定位。


過去HMI向來與SCADA相互搭配,呈現系統的運作狀況,後來觸控技術逐漸成熟,HMI的輸入更為簡易,傳統的按鍵式開關開始被部份取代,HMI成為設備的操作介面,時至今日,這仍是多數製造現場的HMI主要使用方式。


開放式架構 打造新世代HMI

這兩年「智慧製造」概念興起,作為製造設備唯一的顯示介面,HMI的角色再次產生變化,由於「智慧製造」系統講究高整合,以利於與系統中的其他子系統相互鏈結,高整合需求刺激出此新世代HMI的特色,包括相容性、可網路遠端監控…等,而這些特色的形成,都指向同一個來源-「開放性架構」,由於採取開放性架構,所有系統的技術都取材於市面上已成熟的共通技術,因此系統之間的彼此可無縫相容,當系統要重組或擴充時如加入網路遠端監控,也可以輕易變動。



圖2 : 目前HMI最主要的應用仍為工業自動化產業。(source:Kob-Flex)
圖2 : 目前HMI最主要的應用仍為工業自動化產業。(source:Kob-Flex)

開放式架構不單指硬體,新世代HMI的軟體對開放性的需求完全不低於硬體,由於智慧製造講究高整合,現在製造端的軟體也需與後端管理系統像是ERP、MES連結,讓系統內所有資訊不但可以無障礙的快速流動,而且這些資訊都被化為易於讀取、交換的數據,讓人與機器更容易溝通,也讓機器與機器之間有了統一且便捷的訊息轉換介面。


這種資訊整合的「可視化」已成為HMI的發展趨勢,從單純的顯示資訊到複雜生產系統前後端間的連接點,HMI必須能從不同系統中,存取需要資訊以供使用者參考,因此軟體的強化連結與資訊傳輸的擴充,已成為現在在工廠自動化系統的HMI選購著力點。


業者指出,從近幾年的發展趨勢來看,HMI的硬體技術已然成熟,目前的技術足敷系統業者使用,因此未來HMI的市場競爭將會以軟體為主,過去在封閉的環境系統進行整合,可能需要添加多種設備才能完成通訊整合,在現在開放的架構下,由於資訊的處理較為透明,反而更能跨領域涵蓋自動化的整合及資訊的串連,這也是近年來HMI廠商紛紛強化OPC UA、SQL資料庫以及各類第三方.NET元件進行整合的主因。


軟硬兼修 HMI再進化

就整體架構來看,目前市場上的HMI廠商可分為兩類,一類是專業HMI廠商,另一則是工業電腦廠商,兩者產品的主要差異是軟硬體的整合。專業HMI廠商都有自己設計的軟體,以軟硬整合方式布局市場,工業電腦廠商則是系統整合廠商分工,工業電腦廠商提供硬體,系統整合廠商再根據自己需求設計軟體。在過去的自動化系統中,這種軟硬分工的模式有其優勢,由於系統單純(硬體設備變動不大)、應用單純(都只為製造用途),軟硬體都可設計為單一模式的系統,不過在新世代的自動化概念下,這種作法漸漸受到限制,首先是單一模式的軟硬體設計缺乏擴充彈性,難以產生附加價值,在軟體部份,這類模式的軟體設計經驗僅停駐在此一模式,無法累積經驗,將之延伸應用到其他類型產品。


回過頭來看專業型HMI,此類型廠商的HMI與其自行研發的作業軟體平台結合,產品軟硬合一,在出廠前就有一定程度的穩定運作保障,其軟硬體都為開放式架構,不僅硬體面可輕易擴充,軟體方面,也因其不是為單一架構或領域所設計,當系統有擴充需求或系統廠商承接到其他領域案件時,其大部份軟體設計概念可以直接轉移,不必再針對這些改變重新設計,大幅縮短系統修改或產品出貨的時間,因此對缺發設計能力或要求產品快速上市的系統廠商來說,是相對較佳的選擇。



圖3 : 製造現場資訊的可視化已成HMI的發展趨勢。(source: WA3000 Industrial Automation)
圖3 : 製造現場資訊的可視化已成HMI的發展趨勢。(source: WA3000 Industrial Automation)

在應用領域方面,目前HMI最主要的應用仍為工業自動化產業,早期HMI以顯示大量開關、指示燈號、產線情報或故障警示等訊息,來取代傳統開關與燈號元件,其功能侷限在啟動或停止某個設備;新世代的HMI除了提高核心CPU的速度、多樣化的顯示畫面之外,還提供更多通訊埠以連接外部介面,進而達到訊息整合目的,在自動化整合領域,廠商也開始走向以完整解決方案的提供者,此一改變讓HMI延伸出更多的應用。


應用之路逐漸寬廣

除工業自動化外,HMI目前的重點應用還包括建築、醫療、船舶、能源、車載…等領域,這些領域都各有其不同規格需求。在建築應用中,HMI主要作為樓宇節能系統的操控與顯示平台,這種樓宇種類除了一般觀念中的辦公、住宅大樓,也包括工廠廠房,在全球一片節能議題中,工廠與住宅的減碳已成為各國必須嚴肅面對的課題,建築節能系統主要架構是透過建置於各能源使用設備的感測節點,擷取用電訊息,並透過控制器加以調節,而各設備的能源使用量必須化為確實數據顯示,以供管控人員辨識並操作設定,HMI就是扮演此一重要角色,而這類系統需要與大量異系統鏈接,因此其產品必須為開放性架構方能勝任。


另一個值得提出討論的應用趨勢也是能源,不過是屬於發電端而非節能,在環境保護意識下,現在全球各國紛紛發展潔淨能源,其中太陽能與風力被視為最具潛力的兩種能源。


在這兩者中,太陽能又是重點中的重點,太陽能系統是由太陽能板、太陽能電池、控制系統所構成,透過太陽能板擷取陽光中的光能與熱能,再以太陽能電池進行光電轉換,把陽光中包含的能量轉化為電能,控制系統必須時時讓太陽能板控制在最佳受光角度,同時管控太陽能電池的蓄電量,HMI在此負責各類訊息的顯示與系統操作重責,因此對產品規格有相當高的要求。


綜觀來看,技術與市場應用兩端的相互刺激,讓HMI產生了與以往的不同樣貌。在技術方面,硬體與軟體整合不但有更佳的穩定度,更不斷產生出附加價值,技術的提升讓應用更為寬廣,無論是原本的工業製造或現在正夯的能源應用,已進化的HMI都能勝任其職,成為新世代智慧系統的人機溝通橋樑。


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