智慧工廠HMI的三大趨勢 高彈性、視覺性、可靠性

隨著元宇宙題材發(fā)酵，制造業(yè)智能工廠在AI、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、AR/VR等技術(shù)導(dǎo)入后，人機(jī)接口（HMI）智能化腳步也愈來愈快。其中，高彈性、視覺性、可靠性，將是其發(fā)展的三大趨勢。

麥肯錫（McKinsey）發(fā)布最新報(bào)告指出，全球企業(yè)與消費(fèi)者2022年投入元宇宙有關(guān)的投資金額已超過1200億美元，預(yù)估2030年年度支出總額可能高達(dá)5兆美元；彭博情報(bào)（Bloomberg Intelligence）預(yù)估，2024年元宇宙市場規(guī)模將達(dá)8000億美元，跨產(chǎn)業(yè)鏈商機(jī)涵蓋資通訊、半導(dǎo)體、制造業(yè)、服務(wù)業(yè)、金融業(yè)、教育業(yè)等領(lǐng)域。

隨著源宇宙題材發(fā)酵，制造業(yè)智能廠房在AI、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、AR/VR等技術(shù)導(dǎo)入后，人機(jī)接口（HMI）智能化腳步也愈來愈快。

智慧工廠HMI三大發(fā)展趨勢
1988年P(guān)ro-face（普羅菲司）全球第一臺(tái)人機(jī)接口（HMI）上市，可連接各品牌不同控制器，如PLC、馬達(dá)、溫控器、變頻器、運(yùn)動(dòng)控制器、機(jī)械手臂、機(jī)器視覺等，滿足大量數(shù)據(jù)和安全連接上層（中控室）和現(xiàn)場層（工廠）網(wǎng)絡(luò)的需求。HMI導(dǎo)入日趨成熟的AI技術(shù)后，更加速廠房智慧化腳步，比方施耐德電機(jī)推出Pro-face HMI基本型人機(jī)接口ST6000全新版本，近年也致力于導(dǎo)入工業(yè)擴(kuò)增實(shí)境顧問Augmented Operator Advisor（AOA），藉由擴(kuò)增實(shí)境技術(shù)進(jìn)行模擬操作學(xué)習(xí)。

施耐德電機(jī)工業(yè)自動(dòng)化事業(yè)部產(chǎn)品經(jīng)理王曉柔指出，隨著工業(yè)4.0與智能制造相關(guān)技術(shù)的推進(jìn)，施耐德電機(jī)觀察到智能工廠中人機(jī)界面（HMI）有三大發(fā)展趨勢：高彈性、視覺性、可靠性，也是Pro-face HMI Centric人機(jī)中樞體系架構(gòu)重點(diǎn)。

這個(gè)架構(gòu)以人為中心，利用HMI及IPC做為人員與機(jī)器溝通的接口，連接IT及OT，達(dá)到自動(dòng)化的目的，讓人員跟機(jī)器有更好的互動(dòng)，人員直覺操作也能極大化工作效率。

趨勢一:高彈性
各產(chǎn)業(yè)客戶需求不盡相同，例如半導(dǎo)體和面板廠等客戶所需要的HMI功能各異，須根據(jù)廠房環(huán)境做出適當(dāng)調(diào)整，因此客制化成為一大關(guān)鍵。Pro-face人機(jī)接口的高靈活性是一大優(yōu)勢，不僅支持全面通訊格式，也能與各品牌控制組件互通互聯(lián)。日本知名的造紙大廠川之江造紙機(jī)械有限公司自1992年P(guān)ro-face首次推出以來便持續(xù)采用至今。

趨勢二:視覺性
HMI協(xié)助廠房及產(chǎn)線生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)化。近年來，不少客戶端仰賴HMI將數(shù)據(jù)可視化，進(jìn)行生產(chǎn)信息的管理與分析，而人機(jī)接口的SCADA圖控軟件提供可視化報(bào)表，可協(xié)助人員快速且正確的做出決策。

趨勢三:可靠性
HMI信息及遠(yuǎn)距聯(lián)機(jī)的安全性極為重要。HMI可搭配資安系統(tǒng)，進(jìn)行設(shè)備生命周期維護(hù)，也可搭配遠(yuǎn)距安全聯(lián)機(jī)解決方案，客戶端可以安全地進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

此外，內(nèi)建IIoT功能也常見于工業(yè)自動(dòng)化零組件產(chǎn)品，基于開放式架構(gòu)，能與不同品牌產(chǎn)品輕松聯(lián)機(jī)，舉例來說，若工具機(jī)搭配Pro-face人機(jī)接口，可輔助操作人員與設(shè)備溝通，輔助功能機(jī)業(yè)者加速產(chǎn)品開發(fā)，整合軟硬件，也可以提供云端產(chǎn)品與服務(wù)，對(duì)于需要導(dǎo)入智能制造、數(shù)字維護(hù)售服的業(yè)者來說，無需自行開發(fā)軟件、建模，可以大幅節(jié)省時(shí)間與成本。

為推動(dòng)智能制造，施耐德電機(jī)也致力于將工業(yè)自動(dòng)化解決方案應(yīng)用于工具機(jī)產(chǎn)業(yè)，比方與全球金屬加工設(shè)備領(lǐng)導(dǎo)廠商凱柏精密機(jī)械共同開發(fā)結(jié)合門型機(jī)械手、物聯(lián)網(wǎng)功能的智能工具機(jī)，整合多道生產(chǎn)程序，提高生產(chǎn)效率。制造業(yè)導(dǎo)入AR等技術(shù)應(yīng)用，有助提升作業(yè)、維修效能，如運(yùn)用AR存取IoT數(shù)據(jù)，能夠依用戶需求提供有用的指定信息，也比紙本數(shù)據(jù)更方便有效率。

至于AR在支持生產(chǎn)現(xiàn)場協(xié)作的應(yīng)用更具優(yōu)勢，可以讓作業(yè)更一致、有效率，提高安全性，大幅減少人為錯(cuò)誤，避免意外導(dǎo)致作業(yè)中斷，還能加速問題排除，縮短平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）。


 
圖1 : HMI可搭配資安系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備生命周期維護(hù)，也可搭配遠(yuǎn)距安全聯(lián)機(jī)解決方案安全地進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

HMI智能再升級(jí) AOA應(yīng)用程序助攻
智能工廠中的人機(jī)接口也逐漸導(dǎo)入AR/MR等進(jìn)階技術(shù)。在智能工廠中，AR/MR技術(shù)多使用于行動(dòng)裝置，作為HMI的延伸，輔助HMI豐富化信息，現(xiàn)場人員在移動(dòng)的過程中可以透過行動(dòng)裝置搭配信息、影片、手冊(cè)等數(shù)據(jù)，完整監(jiān)看設(shè)備端，在設(shè)備需要進(jìn)行維護(hù)時(shí)，也能在第一時(shí)間做出最佳決策。

以瑞士設(shè)備制造大廠Buhler Group為例，生產(chǎn)現(xiàn)場的操作員實(shí)時(shí)存取CAD圖、手冊(cè)與教學(xué)視訊、生產(chǎn)列表、安全信息、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序（SOP）、維護(hù)時(shí)程與運(yùn)作狀況等相關(guān)數(shù)據(jù)，迭蓋顯示于行動(dòng)裝置對(duì)應(yīng)設(shè)備的實(shí)時(shí)影像上；AR app還可以整合生產(chǎn)現(xiàn)場的IoT裝置，提供各類信息，協(xié)助客戶管理關(guān)鍵資產(chǎn)，加速?zèng)Q策；AR工具投資報(bào)酬率計(jì)算器能試算投資回收期以及節(jié)省的成本與時(shí)間。

在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行反應(yīng)性維護(hù)（Reactive Maintenance）與疑難解答時(shí)，AOA可以讓技師透過AR實(shí)時(shí)掌握設(shè)備作業(yè)、傳感器是否啟動(dòng)等情況，不會(huì)被作業(yè)中的設(shè)備阻擋視線，也不需要停機(jī)，效率比人機(jī)接口（HMI）傳統(tǒng)作業(yè)方式高，可縮短作業(yè)中斷時(shí)間。

越是需要派遣技師到現(xiàn)場處理的應(yīng)用，AR可能帶來的成效越高，技師可以透過AOA觀看教學(xué)視訊、查閱手冊(cè)；透過AR app還可以跟專家進(jìn)行影音通話，提供實(shí)時(shí)現(xiàn)場狀況，讓技師掌握更多信息，快速找出問題點(diǎn)；AOA也會(huì)列出預(yù)測式維護(hù)作業(yè)，方便工作排程與人力調(diào)派。

AOA應(yīng)用程序除了安裝在手機(jī)或平板計(jì)算機(jī)，也可以搭配智能眼鏡使用。操作人員不需要實(shí)際打開設(shè)備箱體或進(jìn)入危險(xiǎn)場域，只要檢視AOA虛擬投影出的設(shè)備箱體內(nèi)各組件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，即可進(jìn)行巡檢工作；或者依照AOA程序顯示的數(shù)字步驟圖標(biāo)進(jìn)行故障排除，按圖索驥，動(dòng)作流程一目了然，避免錯(cuò)誤。

HMI是IT與OT的溝通橋梁，需要呈現(xiàn)于AOA程序中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)由HMI搜集數(shù)據(jù)匯整后，經(jīng)由服務(wù)器再分享給AOA程序裝置，兩者相互支持，發(fā)揮各自優(yōu)勢。

王曉柔指出，施耐德電機(jī)已經(jīng)在國立勤益科技大學(xué)工具機(jī)大樓的示范產(chǎn)線導(dǎo)入AOA，藉由擴(kuò)增實(shí)境技術(shù)讓學(xué)生進(jìn)行模擬操作學(xué)習(xí)，同時(shí)搭配該軟件的程序指導(dǎo)功能，引導(dǎo)現(xiàn)場人員準(zhǔn)確操作每項(xiàng)步驟，成功降低75%人為疏忽，減少83%的人員培訓(xùn)時(shí)間。



 
圖2 : 工業(yè)擴(kuò)增實(shí)境顧問可根據(jù)擴(kuò)增實(shí)境指引，實(shí)時(shí)協(xié)助操作人員排除故障，降低人為疏失可能。（source：施耐德電機(jī)）

HMI遠(yuǎn)程操作 資安防護(hù)同步到位
隨著元宇宙世代來臨，未來智能工廠中的HMI技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用當(dāng)不止于導(dǎo)入AR/MR，對(duì)此，王曉柔認(rèn)為，未來智慧工廠的發(fā)展將與大數(shù)據(jù)應(yīng)用高度相關(guān)，比方HMI應(yīng)用架構(gòu)結(jié)合臉部辨識(shí)功能，無需透過刷卡等動(dòng)作就能夠辨識(shí)操作人員的身份，只要代入HMI中預(yù)設(shè)編輯好的配方，就能有效控管操作者權(quán)限，記錄使用人員信息，并追蹤使用期間的所有操作，以確保設(shè)備信息的安全性，同時(shí)改善信息管控質(zhì)量。

設(shè)備的遠(yuǎn)程操作也是未來的發(fā)展趨勢。HMI搭載4G、WiFi路由器，即使在無法建立網(wǎng)絡(luò)或終端用戶現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)無法使用的情況下，人員透過行動(dòng)裝置作為接入點(diǎn)，便可輕松啟動(dòng)安全遠(yuǎn)程維護(hù)。

值得一提的是，當(dāng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用及遠(yuǎn)程聯(lián)機(jī)成為主流，資安管控就成為重要課題，針對(duì)這類解決方案，可搭配資安系統(tǒng)，也可結(jié)合遠(yuǎn)距安全聯(lián)機(jī)解決方案，進(jìn)一步為企業(yè)的數(shù)據(jù)安全把關(guān)。

不過，雖然Pro-face的HMI能支持多種廠牌的各式設(shè)備，如機(jī)械手臂、視覺傳感器等，但目前制造業(yè)中仍有不少廠商仍使用老舊設(shè)備，無法與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)，需要透過像Gateway數(shù)據(jù)擷取等工具，才能順利搜集與傳送數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)與上位設(shè)備，讓OT端順利與大數(shù)據(jù)結(jié)合，或者使用HMI搭配SCADA圖控軟件，讓設(shè)備數(shù)據(jù)可視化再升級(jí)，才可能為現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)信息的分析與管理。這部分與數(shù)字升級(jí)有關(guān)，需要廠商主動(dòng)擁抱數(shù)字變革，導(dǎo)入智能技術(shù)，才可能讓廠房愈來愈智慧。

結(jié)語
元宇宙縮短現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界融合的速度，為HMI帶來不同啟發(fā)，王曉柔指出，施耐德電機(jī)正積極創(chuàng)造開放、永續(xù)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和高效的新一代工業(yè)世界。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)愿景，施耐德電機(jī)不斷探索任何能帶動(dòng)未來工業(yè)世界進(jìn)步的可行性。例如提升智慧廠房中設(shè)備的互動(dòng)與合作性、整合大數(shù)據(jù)/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)/數(shù)字孿生仿真應(yīng)用等最新技術(shù)，做好應(yīng)對(duì)工業(yè)4.0的各種挑戰(zhàn)。