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智慧廠房HMI的三大趨勢
高彈性、視覺性、可靠性

【作者: 季平】   2022年07月05日 星期二

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隨著元宇宙題材發酵,製造業智慧廠房在AI、物聯網、數位孿生、AR/VR等技術導入後,人機介面(HMI)智慧化腳步也愈來愈快。其中,高彈性、視覺性、可靠性,將是其發展的三大趨勢。


麥肯錫(McKinsey)發布最新報告指出,全球企業與消費者2022年投入元宇宙有關的投資金額已超過1200億美元,預估2030年年度支出總額可能高達5兆美元;彭博情報(Bloomberg Intelligence)預估,2024年元宇宙市場規模將達8000億美元,跨產業鏈商機涵蓋資通訊、半導體、製造業、服務業、金融業、教育業等領域。


隨著源宇宙題材發酵,製造業智慧廠房在AI、物聯網、數位孿生、AR/VR等技術導入後,人機介面(HMI)智慧化腳步也愈來愈快。


智慧廠房HMI三大發展趨勢

1988年Pro-face(普羅菲司)全球第一台人機介面(HMI)上市,可連接各品牌不同控制器,如PLC、馬達、溫控器、變頻器、運動控制器、機械手臂、機器視覺等,滿足大量資料和安全連接上層(中控室)和現場層(工廠)網路的需求。HMI導入日趨成熟的AI技術後,更加速廠房智慧化腳步,比方施耐德電機推出Pro-face HMI基本型人機介面ST6000全新版本,近年也致力於導入工業擴增實境顧問Augmented Operator Advisor(AOA),藉由擴增實境技術進行模擬操作學習。


施耐德電機工業自動化事業部產品經理王曉柔指出,隨著工業4.0與智慧製造相關技術的推進,施耐德電機觀察到智慧廠房中人機介面(HMI)有三大發展趨勢:高彈性、視覺性、可靠性,也是Pro-face HMI Centric人機中樞體系架構重點。


這個架構以人為中心,利用HMI及IPC做為人員與機器溝通的介面,連接IT及OT,達到自動化的目的,讓人員跟機器有更好的互動,人員直覺操作也能極大化工作效率。


趨勢一:高彈性

各產業客戶需求不盡相同,例如半導體和面板廠等客戶所需要的HMI功能各異,須根據廠房環境做出適當調整,因此客製化成為一大關鍵。Pro-face人機介面的高靈活性是一大優勢,不僅支援全面通訊格式,也能與各品牌控制元件互通互聯。日本知名的造紙大廠川之江造紙機械有限公司自1992年Pro-face首次推出以來便持續採用至今。


趨勢二:視覺性

HMI協助廠房及產線生產過程數據化。近年來,不少客戶端仰賴HMI將數據視覺化,進行生產資訊的管理與分析,而人機介面的SCADA圖控軟體提供視覺化報表,可協助人員快速且正確的做出決策。


趨勢三:可靠性

HMI資訊及遠距連線的安全性極為重要。HMI可搭配資安系統,進行設備生命週期維護,也可搭配遠距安全連線解決方案,客戶端可以安全地進行遠端操作。


此外,內建IIoT功能也常見於工業自動化零組件產品,基於開放式架構,能與不同品牌產品輕鬆連線,舉例來說,若工具機搭配Pro-face人機介面,可輔助操作人員與設備溝通,協助工具機業者加速產品開發,整合軟硬體,也可以提供雲端產品與服務,對於需要導入智慧製造、數位維護售服的業者來說,無需自行開發軟體、建模,可以大幅節省時間與成本。


為推動智慧製造,施耐德電機也致力於將工業自動化解決方案應用於工具機產業,比方與全球金屬加工設備領導廠商凱柏精密機械共同開發結合門型機械手、物聯網功能的智慧工具機,整合多道生產程序,提高生產效率。製造業導入AR等技術應用,有助提升作業、維修效能,如運用AR存取IoT資料,能夠依使用者需求提供有用的指定資訊,也比紙本資料更方便有效率。


至於AR在支援生產現場協作的應用更具優勢,可以讓作業更一致、有效率,提高安全性,大幅減少人為錯誤,避免意外導致作業中斷,還能加速問題排除,縮短平均修復時間(MTTR)。



圖1 : HMI可搭配資安系統進行設備生命週期維護,也可搭配遠距安全連線解決方案安全地進行遠端操作。
圖1 : HMI可搭配資安系統進行設備生命週期維護,也可搭配遠距安全連線解決方案安全地進行遠端操作。

HMI智慧再升級 AOA應用程式助攻

智慧廠房中的人機介面也逐漸導入AR/MR等進階技術。在智慧廠房中,AR/MR技術多使用於行動裝置,作為HMI的延伸,輔助HMI豐富化資訊,現場人員在移動的過程中可以透過行動裝置搭配資訊、影片、手冊等資料,完整監看設備端,在設備需要進行維護時,也能在第一時間做出最佳決策。


以瑞士設備製造大廠Buhler Group為例,生產現場的操作員即時存取CAD圖、手冊與教學視訊、生產清單、安全資訊、標準作業程序(SOP)、維護時程與運作狀況等相關資料,疊蓋顯示於行動裝置對應設備的即時影像上;AR app還可以整合生產現場的IoT裝置,提供各類資訊,協助客戶管理關鍵資產,加速決策;AR工具投資報酬率計算器能試算投資回收期以及節省的成本與時間。


在生產現場進行反應性維護(Reactive Maintenance)與疑難排解時,AOA可以讓技師透過AR即時掌握設備作業、感測器是否啟動等情況,不會被作業中的設備阻擋視線,也不需要停機,效率比人機介面(HMI)傳統作業方式高,可縮短作業中斷時間。


越是需要派遣技師到現場處理的應用,AR可能帶來的成效越高,技師可以透過AOA觀看教學視訊、查閱手冊;透過AR app還可以跟專家進行影音通話,提供即時現場狀況,讓技師掌握更多資訊,快速找出問題點;AOA也會列出預測式維護作業,方便工作排程與人力調派。


AOA應用程式除了安裝在手機或平板電腦,也可以搭配智慧眼鏡使用。操作人員不需要實際打開設備箱體或進入危險場域,只要檢視AOA虛擬投影出的設備箱體內各元件的即時數據,即可進行巡檢工作;或者依照AOA程式顯示的數位步驟圖示進行故障排除,按圖索驥,動作流程一目瞭然,避免錯誤。


HMI是IT與OT的溝通橋樑,需要呈現於AOA程式中的即時數據經由HMI蒐集資料彙整後,經由伺服器再分享給AOA程式裝置,兩者相互支援,發揮各自優勢。


王曉柔指出,施耐德電機已經在國立勤益科技大學工具機大樓的示範產線導入AOA,藉由擴增實境技術讓學生進行模擬操作學習,同時搭配該軟體的程序指導功能,引導現場人員準確操作每項步驟,成功降低75%人為疏忽,減少83%的人員培訓時間。



圖2 : 工業擴增實境顧問可根據擴增實境指引,即時協助操作人員排除故障,降低人為疏失可能。(source:施耐德電機)
圖2 : 工業擴增實境顧問可根據擴增實境指引,即時協助操作人員排除故障,降低人為疏失可能。(source:施耐德電機)

HMI遠端操作 資安防護同步到位

隨著元宇宙世代來臨,未來智慧廠房中的HMI技術研發與應用當不止於導入AR/MR,對此,王曉柔認為,未來智慧廠房的發展將與大數據應用高度相關,比方HMI應用架構結合臉部辨識功能,無需透過刷卡等動作就能夠辨識操作人員的身份,只要代入HMI中預設編輯好的配方,就能有效控管操作者權限,記錄使用人員資訊,並追蹤使用期間的所有操作,以確保設備資訊的安全性,同時改善資訊管控品質。


設備的遠端操作也是未來的發展趨勢。HMI搭載4G、WiFi路由器,即使在無法建立網路或終端用戶現場網路無法使用的情況下,人員透過行動裝置作為接入點,便可輕鬆啟動安全遠程維護。


值得一提的是,當大數據應用及遠端連線成為主流,資安管控就成為重要課題,針對這類解決方案,可搭配資安系統,也可結合遠距安全連線解決方案,進一步為企業的資料安全把關。


不過,雖然Pro-face的HMI能支援多種廠牌的各式設備,如機械手臂、視覺感測器等,但目前製造業中仍有不少廠商仍使用老舊設備,無法與網路連線,需要透過像Gateway資料擷取等工具,才能順利蒐集與傳送資料到網路與上位設備,讓OT端順利與大數據結合,或者使用HMI搭配SCADA圖控軟體,讓設備數據視覺化再升級,才可能為現場設備進行生產資訊的分析與管理。這部分與數位升級有關,需要廠商主動擁抱數位變革,導入智慧技術,才可能讓廠房愈來愈智慧。


結語

元宇宙縮短現實世界與虛擬世界融合的速度,為HMI帶來不同啟發,王曉柔指出,施耐德電機正積極創造開放、永續、數據驅動和高效的新一代工業世界。為了實現這個願景,施耐德電機不斷探索任何能帶動未來工業世界進步的可行性。例如提升智慧廠房中設備的互動與合作性、整合大數據/工業物聯網/數位孿生模擬應用等最新技術,做好應對工業4.0的各種挑戰。


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