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新世代HMI設計趨勢
打造最佳性價比

【作者: 王明德】   2016年03月18日 星期五

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目前HMI最主要的應用領域,仍以工業自動化產業為主,由於早期的HMI用以顯示大量開關、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;現在的HMI除了提高核心CPU的速度、多樣化的顯示畫面之外,更必須提供多通訊埠以連接外部介面,進而達到訊息整合的目的。


尤其在自動化整合領域,廠商也邁向完整解決方案的提供者角色進行規畫,因此各類設備之間的距離,從過去的單一產品販售,也開始導向整合型服務邁進。


目前以亞洲市場來看,在工控產業上仍以日系產品為主流,但不論哪一國系列的產品,「穩定」與「可靠」均是工廠自動化產業設備的第一要項,當然在技術面上,供應商不斷致力於產品功能規格的提昇,以期能提供更多元的功能,協助使用者獲致效益,但對於使用者而言來說,硬體功能的多寡並非必須,「穩定品質」才是第一要件。


作為與機器溝通的橋樑,HMI介面的整合性的確日趨重要,過去在工廠端應用,相關的操控均有獨立的顯示系統,HMI整合了各項表頭,化零為整將操作單純化;此外HMI隨著傳統產業的發展,在技術上目前的確逐漸走向頂點,但便利性絕對是它的最大價值,除了技術的進步,HMI的價值仍在於整合介面的「親和力」。


由於HMI是直覺式操作的裝置,在使用的過程中,絕對不能讓操作者用起來麻煩;此外HMI最大的價值,在於可以將複雜的工作簡化成直覺化的指令,由於HMI產品的生命週期長,必須讓操作者已習慣的方式來運用,才能達到最大的效果。


穩定是第一要求

HMI重視的是「穩定」,所以在軟硬體上也以此一需求進行設計,因此部份廠商的HMI產品並不會在效能面如VIDEO或其他較為複雜的架構有太多著墨,而是仍致力於HMI的穩定操作的能力。


除了穩定度之外,現在的HMI的另一個設計思維是整合,由於HMI是操作者面對機器設備的第一線,隨著科技技術的進步,各式機械設備整合速度加快,加上架構與功能漸趨複雜,在此情況下,HMI也隨之演進。


HMI從傳統單純顯示工業設備的各項數值,到現在透過各種不同的圖型化元件來進行顯示與操作,這透露出HMI的角色重要性的提升,從過去與傳統現場端工控設備連結,到現在與後端管理系統進行資料的整合交換,可以發現愈來愈多的要求直接賦予到HMI的身上。


自動化系統從工廠端到系統端,甚至現在可以連結到雲端,HMI的角色已不僅是單機或生產線的控制輸出入角色,資訊整合的「可視化」成為其發展趨勢,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,因此強化軟體的連結與資訊的傳輸的擴充,就成為供應商在工廠自動化領域著力的重點。



圖1 : 目前高階HMI主要集中應用在半導體、面板產業等市場,這類市場主要仍以歐、日大廠的產品為主,一般廠商較難切入。
圖1 : 目前高階HMI主要集中應用在半導體、面板產業等市場,這類市場主要仍以歐、日大廠的產品為主,一般廠商較難切入。

由於近幾年的發展趨勢,就硬體技術面來看,目前的技術已足敷HMI使用,就此層面,HMI未來發展的最重要關鍵,基本上就落到了軟體系統身上,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。


業界人士指出,由於現代的工業自動化設備,所需求的功能是逐漸提升,現在HMI應該呈現的,不僅只是設備機台上的生產狀況與異常對應,更需要M2M之間的連結,甚或能看到產線上所發揮的產能資訊整合,以及精準的控制產能狀況。


軟硬體水準提升 HMI角色日趨重要

不論是高階或是入門級的HMI,其硬體水準均有不錯的發展。像是近年來較大尺寸的觸控面板,以及高畫質、高解析度的視覺品質,在各家HMI廠商中,都成為其強調的產品特色。


業者分析,主要原因一方面受惠於面板產業技術的不斷進步,解析度、透視度更高的面板產品不斷出現,加上規模經濟的發展,讓面板水準愈高,但成本愈來愈低,讓HMI的畫質水準亦跟著不斷提升;另一方面,基於市場需求,HMI已不再只是輸出入的介面,即使入門級產品亦開始強化其資訊展示的功能,如此面板水準需求也跟著提升。



圖2 : 由於設備的複雜度提升,M2M需求也跟著增加,HMI的角色逐漸從單機走向整廠控管介面。
圖2 : 由於設備的複雜度提升,M2M需求也跟著增加,HMI的角色逐漸從單機走向整廠控管介面。

此外,由於設備的複雜度提升,M2M的需求也跟著增加,HMI的角色也逐漸從單機走向整廠控管介面,因此各家產品亦隨著這項趨勢,發展各類通訊介面,讓HMI溝通更為順暢。包括像是RS-232/485及Ethernet等工業通訊介面,甚或是USB、記憶卡等儲存系統的連接埠,亦成為HMI的標準配備;這類介面讓HMI與設備間溝通更加順暢,整合到現在正流行的網路及雲端科技,亦可以達成設備遠端監控發展的目標。


由於硬體系統的技術發展,在近年來快速成長,HMI的硬體水準也逐漸趨近極限,廠商同時開始思考,如何建立產品的不可替代性。因此,軟體系統也成為HMI廠商重視的層面。


在HMI軟體系統普及發展的諸多因素中,技術的推動與市場需求同步帶動了自動化產業的發展,而其中製造業的需求可說是成長主因,這也讓HMI系統多朝自動化軟體方向推進。製造業的發展,帶來了對自動化軟體需求的提升,也決定了自動化軟體將由過去單純的組態監控功能,向更高和更廣的層面發展;有業者就指出,需求決定產品,只有滿足需求的產品才有生存的空間,這是不變的規律。


整合通訊介面 讓溝通更全面

在自動化系統整合的要求提升上,通訊介面的整合也是一項重點。由於現在的HMI並不僅只於做為輸出入的介面,在工廠自動化的層次上,更強調必須即時反應與監控,尤其是遠端監控溝通,這類功能絕對需要網路,其中Ethernet通訊介面、e-mail、Web Server 及FTP Server/Client等網路功能,已是HMI的基本配備,由於目前將「網路」是為工廠端主流配備已成為趨勢,透過網路可讓設備進行更直效的溝通,甚至跟PC端的SCADA等系統連結,均相當容易;或是針對類似於EtherCAT,已在歐洲有相當的佔有率的通訊介面,供應商均透過這些介面的支援來擴展當地的市場。


通訊埠的增加,主要是因應目前生產線機台上所連結的設備愈趨複雜,在機台功能需求增加的情況下,以過去的人機通訊介面,將會陷入到處「配線」的窘境,因此預留擴充可能的通訊埠,讓HMI得以全面整合生產線的整體控制;雖然在工控領域仍存在封閉式系統,但開放式的EtherNet將持續受到青睞,如此的發展趨勢將是一定的,這也是工控領域在通訊介面得不斷擴充的重要原因。


智慧工廠下的HMI

「傳統的HMI角色相當固定,就是直接安裝在機器設備上,顯示設備的各種數值與操作介面,不過進入智慧工廠時代,事情開始有了轉變。」艾訊企劃部經理徐維駿指出,智慧工廠改變了生產思維,生產思維則改變了生產模式,以產品檢測為例,以往的生產模式,是產品生產時,逐站檢查產品品質,這種逐一檢測的方式,往往要耗費大量時間,延遲出貨速度,在智慧工廠的產線中,各設備所建置的感測器,在生產時即已自動檢測產品,當原物料開始一離開生產環節,就已確認過品質,透過感測器快速且精確的檢測,只是智慧工廠生產線的一環,未來所有的生產設備都會建入感測器,自行監測產品品質與設備狀態,在此情況下,HMI會有何改變?



圖3 : 艾訊企劃部經理徐維駿指出,在智慧工廠趨勢下,HMI在軟硬體兩端,都將開始改變。(攝影/王明德)
圖3 : 艾訊企劃部經理徐維駿指出,在智慧工廠趨勢下,HMI在軟硬體兩端,都將開始改變。(攝影/王明德)

徐維駿指出,當生產線所有的設備都有感測器,感測數據的擷取累積將成為智慧工廠中最重要的流程之一,而HMI就會是負責集中、處理這些數據的重要平台,在此趨勢下,HMI在軟硬體兩端,都將開始改變,在硬體方面,HMI的 CPU等級勢必開始提昇,介面部份,則會有更多規格標準進駐,更高價值的HMI將會開始問世。



圖4 : HMI逐漸走向垂直專業架構,以往一機適用於全部市場的方式已逐漸消失。(攝影/王明德)
圖4 : HMI逐漸走向垂直專業架構,以往一機適用於全部市場的方式已逐漸消失。(攝影/王明德)

由這個趨勢也可看出HMI這幾年的市場走向,小尺寸螢幕的HMI在這幾年開始陷入紅海市場,尤其是大陸廠商大舉投入後,小型HMI甚至開始以寸計價,面對利潤極端微薄的競爭態勢,台灣廠商開始調整產品重心,將產品往中高階方向走,徐維駿指出,小尺寸HMI通常只有操作功能,技術層次並不高,因此價格成唯一訴求,中大尺寸的HMI則以多功能取向,更高功能代表其附加價值越高,在此市場,導入的企業不會只注重單一設備功能,而是全面考量HMI與其他設備整合後所產生的價值。


導入新技術 引發更多成長空間


圖5 : HMI重視的是「穩定」,所以在軟硬體上也以此一需求進行設計。近年來的工業自動化產品,隨著電腦系統與周邊技術的快速發展,產生了顯著的改變,因應這項趨勢,在未來「上位資料收集單元」與「現場設備」之間的關係將會愈加緊密,包括設備網路的提升,產線資料的e化,以及軟體介面的統合等功能,將轉換成自動化產業的標準功能,未來將持續開發智慧型周邊、開發軟體,以及更人性化的維護機制為目標,這已是廠商在HMI上發展的共通想像。
圖5 : HMI重視的是「穩定」,所以在軟硬體上也以此一需求進行設計。近年來的工業自動化產品,隨著電腦系統與周邊技術的快速發展,產生了顯著的改變,因應這項趨勢,在未來「上位資料收集單元」與「現場設備」之間的關係將會愈加緊密,包括設備網路的提升,產線資料的e化,以及軟體介面的統合等功能,將轉換成自動化產業的標準功能,未來將持續開發智慧型周邊、開發軟體,以及更人性化的維護機制為目標,這已是廠商在HMI上發展的共通想像。

至於未來發展,由於HMI現在所使用的處理器多與行動電話相似,在軟體系統發展上,是否有可能導入像是現在Android系統的OS開放式介面,這可能將會對工控產業造成一定程度的衝擊;行動電話的技術發展或許也是HMI的借鏡對象,如此發展下去,HMI也將不僅只是HMI,相信會存在著更多的想像空間。



圖6 : 現在的HMI並不僅只於做為輸出入的介面,在工廠自動化的層次上,更強調必須即時反應與監控。
圖6 : 現在的HMI並不僅只於做為輸出入的介面,在工廠自動化的層次上,更強調必須即時反應與監控。
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