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智慧制造浪潮袭来 HMI角色重新定位
 

【作者: 王明德】2020年03月27日 星期五

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HMI(人机介面)是制造现场中人与机台的主要沟通介面。最早的HMI是简单的按键,简单控制设备的启动与停止,随着机台功能渐趋复杂,触控式的HMI逐渐出现在产线中,时至今日,各类精密机台上的HMI已是按键、键盘、触控面板共存。


这几年工业4.0带动制造业走向智慧化,与既有的机台相较,新世代制造系统加入了更多的可视化、异系统整合等全新设计概念,在此概念中,HMI在产线系统的定位与过去截然不同,为了因应此一改变,HMI的软硬体规格也必须同时进化。


内外因素刺激 智慧制造趋势已成

观察整体市场趋势,受到内外两端的影响,制造业走向智慧化已是大势所趋。内部因素来自节节攀升的劳力成本,台湾传统制造业向来倚靠大量的人力,因此,降低人力成本就成为企业重要的营运策略之一。


过去30年,台湾靠着大陆经济刚起步时所提供的大量且低价人力维持竞争力;这几年大陆劳工成本逐渐升高,且全球劳工意识抬头、各国开始强化劳工权益,即便台商将制造基地转移到东南亚或其他开发中国家,也无法降低人力成本。北尔电子产品管理与支援部协理李立伟就指出,劳工成本再降低的空间已经有限,因此现在制造业要维持以往的获利水准,只能从管理财着手,而赚管理财的前提就是智慧制造。



图1 : 北尔电子产品管理与支援部协理李立伟指出,现在制造业要维持以往的获利水准,只能从管理财着手,而赚管理财的前提就是智慧制造。(摄影/王明德)
图1 : 北尔电子产品管理与支援部协理李立伟指出,现在制造业要维持以往的获利水准,只能从管理财着手,而赚管理财的前提就是智慧制造。(摄影/王明德)

外部因素则来自是贸易战与客户需求。这两年中美贸易战开打,美国政府限令中国制造的产品不得入境,台商纷纷将制造基地移往他国,这一波新厂的建置时期,与近年来兴起的智慧制造浪潮重叠,因此部分制造业者顺势转型,透过数位系统强化管理效益。


至於客户端需求,也来自全球智慧制造趋势,尤其欧美国家的发展速度又高於其他地区,加上欧美市场等先进国家是台湾制造业的重要订单来源,为了取得业绩,台商除了配合欧美客户需求,必须在产品中加入订单中指定的智慧化设计之外,部分智慧化较完整的客户还会要求供应链中的配合厂商,必须有相应的智慧化营运机制,让自己能随时掌握货源的品质与状态,并且在必要时回溯追踪,找出产品的问题所在。


因应这股智慧制造潮流,HMI在产线中所扮演的角色,也从过去仅作为机台操控与状态监控再次进化。就如李立伟所言,现在制造业赚的是管理财,而管理财的前提是让资讯透明化,透过通透且完整的资讯,让管理者掌握工厂中产线、仓储物流,甚至是厂房内的水电能源等厂务资讯,从而因应不同的状况,制定出最隹化策略,也因此可视化成为HMI在智慧制造世代中的新角色。


角色重新定位 HMI担起可视化重责

可视化的意义有两种,包括数据的图像化与流动化。人类对图像的接受度远高於文字,李立伟以智慧手机为例指出,手机过去是文字呈现,後来3G、4G启动後,智慧手机呈现爆炸性成长,後来更进一步刺激、发展出各种新功能,在未来的物联网世界中,手机已经是不可或缺的要角。他认为HMI的发展也会循同一轨迹。


新世代的HMI透过设计,将工厂中各种文字、符号化繁为简,以图像呈现在使用者眼前,让管理者可以在第一时间就直觉了解数据背後所代表的意义,达到可视化愿景。


可视化的另一个意义是数据的流动化。在制造业中,过去IT与OT两大系统是分开运作,IT领域中的MES、ERP系统负责处理各种企业管理面的资讯,OT领域的各类型机台,则专注於产品的制造,不过工业4.0的出现打破了此一藩篱。


工业4.0核心概念是透过IT与OT两大系统的整合,让制造业中的各项资讯可以互为所用,进而达到弹性化生产,并让管理者藉此拟定出最隹化生产策略。而在此一概念中,台达HMI产品??理刘家宏认为,HMI的定位会从机台的监控,放大为整体系统中,承上启下的数据处理与传递角色。



图2 : 台达HMI产品??理刘家宏认为,HMI的定位会从机台的监控,放大为整体系统中,承上启下的数据处理与传递角色。(照片提供/台达电子)
图2 : 台达HMI产品??理刘家宏认为,HMI的定位会从机台的监控,放大为整体系统中,承上启下的数据处理与传递角色。(照片提供/台达电子)

刘家宏进一步表示,工业物联网是智慧制造的骨干网路,此一网路刚问世时是集中式运算架构,将现场端的所有设备数据传送到上层云端平台统一运算处理。不过,当终端设备数量过多时,集中式运算会造成频宽与云端运算单元的沉重负荷,因此後来发展出边缘运算。


边缘运算是让终端设备在前端先做筛选、分流与简单的运算,将数据化为已处理过的资讯後,再传送到云端平台,藉此降低网路频宽与後端处理器的负载。


在IT领域中,是由「路由器(Router)」负责边缘运算中的分流工作,至於智慧制造中,刘家宏认为,未来将会由HMI担起此一重责。刘家宏指出,HMI发展已久,早已具备制造系统所需的稳定度,再加上HMI软硬体架构同时横跨IT与OT,要透过IT新技术强化设备效能,使之可因应边缘运算需求相对容易。


因应智慧需求 硬体再次升级

为了满足边缘运算的需求,新世代的HMI在硬体层面必须再次升级,过去HMI只需与现场端的机台连结,因此通讯介面埠多仅有Modbus、RS-422、RS-485等工业通讯标准,不过在智慧制造的路由器角色中,HMI还要负责机联网(M2M)、机联云(M2C)的工作,因此MQTT、OPC UA、HTTPS就成为必须。


刘家宏表示,台达HMI的最大优势,就在於涵盖了市场上各种主流的丰富通讯协议,大幅提升与OT、IT两端的相容性。除了通讯之外,在边缘运算要求下,运算效能也须要进一步强化,现在市场上已有配备双核、四核等处理器的高阶HMI机种,可满足目前工业物联网的边缘运算需求。


至於萤幕方面,触控面板已经成为现场机台的基础配备,且尺寸也愈来愈大、并具备多媒体影音录放功能等,实际上已可作为一个独立的设备,甚至是产线战情中心。


值得一提的是,为了让可视化概念更完整,现在HMI厂商除了现场端的产品外,也推出大型看板,北尔就是一例,北尔的HMI可依尺寸分为三类产品,小尺寸用於单一机台,中型尺寸放在制造现场,让看板与MES连结,生产管理人员可由此看到完整的产线生产状态,大尺寸则是设置在企业总部的战情室,让高阶主管从远端掌握各处厂房的运作数据。


观察产业发展,可以看出HMI的角色不但已在转换,市场对新概念HMI的接受度也逐渐升高,在智慧制造趋势的催化下,具备智慧化设计的HMI已经成为制造业者导入新机台的重要考量,随着智慧化脚步的加快,其成长速度将会加速,成为制造系统的主流机型。


**刊头图(source:Hannover Messe)


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