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人机介面4.0的未来主流
嵌入式及直觉式

【作者: /盧傑瑞】2021年06月30日 星期三

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新一代HMI将以更新的技术和元件取代传统的按钮、指示灯和选择器,并降低对大量显示面板和电缆的依赖,透过先进的HMI功能加强对设备的监控来达到降低营运成本。


在近三年之间,人机介面(HMI)有了快速的发展,而功能性的先进成了市场中的一个差异化因素,重要性也变得越来越明显,例如iPod或iPhone,就是直觉式人机介面的代表性应用,完全改变使用者对特定产品类型的认知方式。


透过集中和数位化来优化操作流程,让使用者可在不同形式的图形、聊天机器人或数位协助下,查看重要讯息。因此,可以观察到越来越多的工业应用和自动化设备者,已经大幅度的导入先进人机介面,来提升产品的竞争力。


由於Apple或其他高阶消费性产品操作介面改变的成功,刺激了许多工业用设备业者开始更加关注用户操控介面的改善,使得新一代设备中的HMI嵌入更高阶功能,和互动式等技术的需求快速增长,例如多点触控萤幕和高功能性显示器等。


此外,HMI的应用也已经扩大到各个领域,包括制造工厂、自动贩卖机、食品和饮料行业、制药和其他公用事业。例如在食品和饮料、包装等各种应用产业领域中,采用自动化来提高营运效率,是促进人机介面市场大幅扩张的重要趋势。


互联网和工业4.0推动先进HMI需求成长

以前透过HMI与PLC的整合,虽然已经大幅度的改善操作人性化方便性与多功能性,但对於互联网和工业4.0的兴起,需要进一步的实现整个系统的监控和数据搜集能力,让技术人员更容易根据当下的状态,选择或调整工程叁数。包括在金属物件制造过程中,可以透过先进的HMI来控制切割或折叠金属的方法、以及速度。在物流领域方面,HMI也可以提供库存控制和进货的智慧化,减少供应商的送货次数。


根据市调公司Mordor Intelligence研究报告显示,2020年全球人机介面市场规模约为37.1亿美元,预计到2026年将达到72.4亿美元,预测期间(2021~2026年)的复合年增长率为10.3%。新一代的HMI将以更新的技术和元件,取代传统的按钮、指示灯和选择器,并降低对大量显示面板和电缆的依赖,进一步透过先进的HMI,加强对设备的监控来达到降低营运成本。


而工业和消费产品透过互联网来连接已是主流趋势。根据世界银行的统计,物联网连接设备的数量,从2015年的154.1亿台增加到 2017年的203.5亿台,预计到 2023 年将大幅度成长达到511.1亿台。工业4.0和工业物联网(IIoT)的兴起,使得无论是工业或消费性产品之间容易连接,因此将智慧型手机、智慧手表变成行动式或可穿戴的HMI也变得更加容易。


今日的人机介面在操作友善化方面有着很大的进步,包括更为简洁的直觉式图形化、多功能的连接、更大的萤幕尺寸和多点触摸功能,提供了更多的操作广度,不仅是对设备当前状态的操控,更进一步的,可用於改善设备整个作业的性能特性。


当生产线上计划导入先进的人机介面时,应该注意的5个重点。包括:


1.必须是为了提高生产力和增加产量而设计。


2.可以提供使用者更好的直觉式操作,以及提供视觉化故障排除的建议,而非一堆艰深的文字说明。


3.提供强化的综合性报告和资讯追踪能力。


4.可以提供预防性的维护计画和预警作用。


5.可以进行远端存取、主动性维护、耗材识别和耗材订购,来支援更高能力的设备自我监控。


嵌入式人机介面的导入速度正快速成长

现在大多数的人机介面都是嵌入式。嵌入式只是意味着萤幕是一体的,包括介面、触控式萤幕(或PLC),有视讯的图形驱动和一些处理资料的能力。这些功能性正逐渐成为主流,并且容易透过互联网路与其他设备相互连接(图1)。



图1 : 嵌入式人机介面现在有更强的处理能力来改善讯息提供方式,例如,不再是过去会闪烁的警告灯,而是可以显示设备的影像和更多资讯。(source:BW Flexible Systems)
图1 : 嵌入式人机介面现在有更强的处理能力来改善讯息提供方式,例如,不再是过去会闪烁的警告灯,而是可以显示设备的影像和更多资讯。(source:BW Flexible Systems)

现今的嵌入式人机介面可提供更多可即时显示复杂资料的能力,如设备的OEE,可以在萤幕上和透过视讯方式立即主动显示故障所在,并提供修复故障的机制。再加上安全和可靠地透过远端连接到其他设备的能力;要具备这些能力,在过去必须先加装非常昂贵的额外IT基础设备,或工厂可视化的功能性套件。


目前来说,嵌入式HMI可能会使用一些商用电脑元件,但其硬体设计是为适应与工业应用相关的温度和其他环境因素而定制的。再加上嵌入式作业系统无需占用大量资源,而只需要承载HMI功能即可,所以只需要较低的处理能力和较少的记忆体即可。


嵌入式HMI也无须另外设置就可以使用,因此一体化触控萤幕易於使用,与基於IPC的HMI元件相比,故障点较少,这有助於准备维护用的备品。无论是新专案还是为现有系统更换装置,都可以实现快速安装。


有了嵌入式人机介面之後,具有改善讯息或预警提供的方式和能力,透过提高速处理架构,就可以达到即时讯息分析和显示系统整体资讯。例如可以显示设备整体的影像,在故障位置发出指示讯号,提供操作者可以排除故障的指导步骤,完成解决故障和重置机器的步骤,而不是像过去几年前,只能闪烁警告灯。这样一来,就无需翻阅艰深难懂的操作手册,能够当场解决问题,大幅降低停机时间,提高操作效率(图2)。



图2 :  Smartlink人机介面引导操作员进行设置,并通过视讯为操作员提供常规维护任务的建议,减少停机时间。(source:Accraply)
图2 : Smartlink人机介面引导操作员进行设置,并通过视讯为操作员提供常规维护任务的建议,减少停机时间。(source:Accraply)

高阶的资讯分析和异常检测

先进的HMI可以自我进行高阶资讯分析。世界上的许多资料都是资料流和时间序列资料,其中的异常资料提供了指示紧急情况的重要资讯,包括预防性和预测性维护、故障检测和监视等。


「异常」通常定义为系统行为异常,这与过去的观念完全不同。异常可能是空间异常,这意味着该值超出了典型范围。也可能是时间异常,尽管该值没有超出典型范围,但发生的顺序却不同。状态标签可以与异常关联,并可将其分类为时间或空间。警示系统还可以根据优先顺序、重要性和频率分配加权值以预测故障。


因此,任何先进的HMI必须在本地进行必要的支援,并即时发送和接收消息,确保远端设备资料是最新且有效的。例如,MQTT和Kafka之类的协定可以确保状态通信,而Sparkplug B规范则处理状态管理。


一旦进入云端,就可以将现场资料进行整合,并与来自多个资料来源的资料合并。可以提供工厂同时考虑多种运营或单一整套设备,而不管其位置如何,基於云端的过滤和分析模型,可用於完善资料以进行深度分析、预测行为和趋势,例如设备的平均故障间隔时间(MTBF)或使用寿命。然後,可以将该资讯发送回部署在边缘的HMI中运行的机器学习模型,以改善其生产作业。


受COVID-19影响和工厂远距操控所需,带动行动HMI需求

因为COVID-19的影响,促进对行动HMI的需求。举例来说,采用高显示能力面板下的先进HMI,可以与设备进行远端连接并获取所需的所有资讯,以便更深入地进行操控。并且强化远端连接能力和简化操作後,可不受作业环境因素的影响,提高工厂的整体生产力,所以这种对於设备的能力,在市场上的实现性备受期待。


而提高设备HMI的资讯可行动化能力,就能够实现更多和更强大的应用。例如对大型设备进行操控时,就能让设备中的资讯传送到远距离的可携式操控终端上,反向当需要对设备下达指令时,就可以在行动化人机介面终端上,发送出完整的分步指令。


过去,在设备前面的HMI上送出分步指示,对於方便性没有太大的帮助,但是有了行动化人机介面後,就能把指示呈现在可携式操控终端上,同时可以缩短作业时间和步骤,以及优化整个作业过程,推动工厂效率和OEE。


因为COVID-19所带来的远距工作变化,这项技术可以让作业人员在家里或任何地点,透过视讯、音讯和影像从远端进行维护和作业。所以,行动HMI的价值和效率是在整个应用及方便性获得大幅提升,而且随着时间的推移,将被用来提高营运的可见性和效率。因此,我们可以说的是,COVID-19的出现,确实加快了行动HMI的被采用和所带来的价值性。


先进HMI将实现更高效的控制

从最初的自动化开始,HMI已经走过了很长的路。重要的是要了解到,老旧HMI的画面已经不敷使用了。导入和实施高性能HMI升级,可以提高每个人(从作业人员到决策者)工作效率。因此,在开始进行提升HMI硬体和软体时,需要考虑高性能HMI画面,来发挥更好的控制制造过程和系统(图3)。



图3 : 现代HMI超越了简单的视觉化,可帮助OEM和最终用户管理资料传输并执行机器学习分析。(source:ADISRA)
图3 : 现代HMI超越了简单的视觉化,可帮助OEM和最终用户管理资料传输并执行机器学习分析。(source:ADISRA)

毫无疑问,随着时间的流逝,设备技术以及对制造过程的视觉化需求将继续发展。由於设备变得越来越智慧,AI也不断提高,业界会受益於高性能HMI操作介面带来的优点。训练有素的员工,能够按照标准规范的画面进行作业,并确保其在作业时的正确性与掌握系统讯息,这对获得提高生产效率至关重要。


**刊头图(source:Direct Industry)


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