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HMI的软硬体与I/O介面再定义
数位转型全面袭来

【作者: 籃貫銘】2020年04月06日 星期一

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目前工业应用正进入数位转型的时期,而HMI做为人与机械设备互动的桥梁,其软硬体规格也将随之有所不同。


工业控制的设备,一直是随着实际应用的需求及新科技的导入,而不断演进和转变,人机介面(HMI)当然也是。目前工业应用正进入数位转型的时期,而HMI做为人与机械设备互动的桥梁,其软硬体规格也将随之有所不同。


目前的数位转型趋势是全方位,包含第一线的生产机具设备,厂房内控制系统,到最上层的经营管理决策程序,其中所有的控制与通讯,都会被要求转为数位的形式,也因此具备充分的数位资讯的显示与处理能力,就成为目前HMI的基本条件。


显示与操作

而从运作架构来看,传统HMI的基本功能,就是安装在可编程逻辑控制器(PLC)之前,用来显示机台的工作状态显示(指示灯、文字、图形等),并透过它来进行指令输入的操作,以达成控制的功能。


到了数位化的智慧时代,这些基本的功能还是存在,但在处理的量与质都需大幅成长。首先,在显示方面,多数据的可视化需求强烈,因此HMI要能够更多的图像化的资讯,以利生产流程的管理与厂房的控制,所以更大的显示尺寸与更高解析的显示面板就成为主流的规格。


另一方面,由於重视精确的视觉图像,甚至更先进的应用还会使用3D模型,以提高现场人员的操作便利性,所以搭载更高等级的显示解决方案或元件,也是目前HMI的发展趋势。包含使用独立的显示晶片或新一代的整合型显示晶片,以避免显示延迟和运算缓慢的情形。


此外,为了搭配可视化风潮,并降低系统人员在资料可视化介面的开发负担,诸多的HMI方案供应商也提供了视觉化界面的工具,甚至有专门的HMI可视化显示介面方案的业者,以提供先进的显示功能。


在操作方面,传统的触控操作依然是主流的介面,但控制的细致程度必须大幅提升,例如导入多点的触控方案,尤其是工业领域对於延迟和卡顿的状况十分忌讳,因此提供流畅的触控操作也是现代HMI设备的必备性能。


但随着AR、VR,以及远端控制应用的兴起,HMI在操作介面的设计上,也需结合这类新兴的装置与应用,提供更多元的操作方式,例如语音和感测的技术。



图1 : 多数据的可视化需求强烈, HMI要能够更多的图像化的资讯,以利生产流程的管理与厂房的控制。(source: smart HMI)
图1 : 多数据的可视化需求强烈, HMI要能够更多的图像化的资讯,以利生产流程的管理与厂房的控制。(source: smart HMI)

I/O与通讯

智慧化是制造业数位转型的目标所在,而产线现场的机台在落实智慧化的过程中,会面临导入更多控制功能的局面,不仅需处理的讯号复杂度更高,同时所使用的资料量也较过往更多,因此与PLC之间的通讯技术就必须升级。


在这个需求下,现场总线(fieldbus)的技术和标准也就有了新的发展,其中一个最明显的转变,就是结合乙太网路规范,并推出新一代的工业通讯协议,包含EtherCAT、PROFINET、Ethernet/IP、Modbus TCP与Ethernet Powerlink等,都已被普遍运用在PLC装置上,以强化传统介面的不足,增加在讯号传输的稳定性与即时性。


也因此,具备这些新一代通讯协议介面,就是目前智慧时代的HMI设备的要件之一。


另一方面,由於企业的数位转型十分仰赖大数据的分析,所以整厂,甚至整个企业活动的数据的收集,是其发展的关键所在,例如在工业领域常用的监控与数据收集系统(Supervisory Control and Data Acquisition System,SCADA)就是其中一种,也因此对大数据应用系统与程式的对接,也是HMI不可或缺的功能。


由於这类大数据系统都是以PC为执行的基础,并结合网路浏览器的应用程式来作介面。也因此,HMI对於PC系统与网路浏览器的支援,就必须与时俱进。它可分为硬体与软体两方面,在硬体方面,主要是对PC通讯与资料输入输出的支援,包含HDMI、USB、GB等级的乙太网路RJ-45,无线通讯的Wi-Fi介面等;软体系统则是常态的Windows与Linux架构,但必须增加更多的Web图形化的支援能力,以及对於远端与行动装置的同步功能。



图2 : HMI的应用与技术示意图。
图2 : HMI的应用与技术示意图。

另外,在物联网的趋势下,更多的感测器也会被布署至工业领域,建构所谓的工业物联网(IIoT),因此HMI也要有对接这些感测系统的能力,无论是透过闸道器或者其他的方案,此设计弹性都是不能??避的考量。


运算逻辑系统

随着接取的资料越来越多,视觉化运算的需求也同步增加,对於逻辑运算系统的要求自然也会随之提高,才能够满足更加吃紧的数据处理任务。在这个前提下,更高性能的嵌入式处理器(CPU)就会更普遍的被使用。


目前主流的低功耗嵌入式CPU方案,仍是以英特尔为多数,并以双核心的架构是最常见的方案。此外,使用ARM架构处理器的方案在更功耗敏感的领域也很常见。但近期AMD在技术上急起直追,在嵌入式市场也渐展露头角,HMI上的搭载能见度也明显提高。


而过往嵌入式处理器的运作频率多在1 GHz~2 GHz之间,但在前述的数位趋势下,部分的大尺寸与高阶应用的HMI方案就必须采用更高运算频率的方案,部分的运算频率已超过3 GHz,以克服大数据应用的挑战。



图3 : 对HMI的应用来说,软体的进化可能是影响使用体验最关键的项目。(source:siemens)
图3 : 对HMI的应用来说,软体的进化可能是影响使用体验最关键的项目。(source:siemens)

当然处理器的效能提升,相对应的储存与记忆体也要有所精进,才能让资料处理的效能明显提升,包含使用更高频与高容量的主记忆体(SDRAM),内建更高容量的应用记忆体(SSD),更弹性的记忆体扩充方案,都是目前HMI装置的运辑系统趋势。


介面设计与编辑软体

尽管数位转型的需求带动了硬体规格的提升。但对於HMI的应用来说,软体的进化可能是影响使用体验,以及降低操作与开发人员负担最关键的项目。


这是因为在更复杂的数据流与应用程序的环境下,会增加HMI在可视化程式与介面设计上的困难,尤其是每个产线与工厂都有各自不同的资料与应用,因此使用易操作(直觉式)、模组化(拖放式)、开放性的整合编辑与设计工具,会是导入HMI系统时的重要考量。


另一方面,基於云端运算、物联网与行动式控制的需求,使用网页式技术的操作介面也是未来必备的型态,因此采用HTML 5这类网路技术为基础的操作介面设计,会是数位时代里HMI开发的一大特色。这类型的Web HMI和Web APP的最大特色,就是具备跨平台的能力,这对身处物联网时代的业者来说,会是重要的竞争力。


结语

数位转型无疑会对制造流程里的每一个环节产生影响,而HMI的角色因身处在设备与人员之间,所受的冲击会更加明显,再加上云端与物联网等新应用的导入,更改变了过往HMI的地位。


在角色与地位的双重变化下,HMI无论是软硬体和本身的应用功能都会有所不同,甚至是进一步整合厂房或产线上的其他设备。对开发者与采购者来说,整个设计与导入思维也要有所应对,才能实现数位转型所擘划的智慧未来。


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