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)導入后，人機接口（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)布最新報告指出，全球企業(yè)與消費者2022年投入元宇宙有關(guān)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(guī)模將達8000億美元，跨產(chǎn)業(yè)鏈商機涵蓋資通訊、半導體、制造業(yè)、服務業(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)導入后，人機接口（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）全球第一臺人機接口（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，滿足大量數(shù)據(jù)和安全連接上層（中控室）和現(xiàn)場層（工廠）網(wǎng)絡的需求。HMI導入日趨成熟的AI技術(shù)后，更加速廠房智慧化腳步，比方施耐德電機推出Pro-face HMI基本型人機接口ST6000全新版本，近年也致力于導入工業(yè)擴增實境顧問Augmented Operator Advisor（AOA），藉由擴增實境技術(shù)進行模擬操作學習。

施耐德電機工業(yè)自動化事業(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，施耐德電機觀察到智能工廠中人機界面（HMI）有三大發(fā)展趨勢：高彈性、視覺性、可靠性，也是Pro-face HMI Centric人機中樞體系架構(gòu)重點。

這個架構(gòu)以人為中心，利用HMI及IPC做為人員與機器溝通的接口，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(chǎn)業(yè)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(jù)廠房環(huán)境做出適當調(diào)整，因此客制化成為一大關(guān)鍵。Pro-face人機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，進行生產(chǎn)信息的管理與分析，而人機接口的SCADA圖控軟件提供可視化報表，可協(xié)助人員快速且正確的做出決策。

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

此外，內(nèi)建IIoT功能也常見于工業(yè)自動化零組件產(chǎn)品，基于開放式架構(gòu)，能與不同品牌產(chǎn)品輕松聯(lián)機，舉例來說，若工具機搭配Pro-face人機接口，可輔助操作人員與設備溝通，輔助功能機業(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，對于需要導入智能制造、數(shù)字維護售服的業(yè)者來說，無需自行開發(fā)軟件、建模，可以大幅節(jié)省時間與成本。

為推動智能制造，施耐德電機也致力于將工業(yè)自動化解決方案應用于工具機產(chǎn)業(yè)，比方與全球金屬加工設備領(lǐng)導廠商凱柏精密機械共同開發(fā)結(jié)合門型機械手、物聯(lián)網(wǎng)功能的智能工具機，整合多道生產(chǎn)程序，提高生產(chǎn)效率。制造業(yè)導入AR等技術(shù)應用，有助提升作業(yè)、維修效能，如運用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，大幅減少人為錯誤，避免意外導致作業(yè)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(tǒng)進行設備生命周期維護，也可搭配遠距安全聯(lián)機解決方案安全地進行遠程操作。

HMI智能再升級 AOA應用程序助攻
智能工廠中的人機接口也逐漸導入AR/MR等進階技術(shù)。在智能工廠中，AR/MR技術(shù)多使用于行動裝置，作為HMI的延伸，輔助HMI豐富化信息，現(xiàn)場人員在移動的過程中可以透過行動裝置搭配信息、影片、手冊等數(shù)據(jù)，完整監(jiān)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。

以瑞士設備制造大廠Buhler Group為例，生產(chǎn)現(xiàn)場的操作員實時存取CAD圖、手冊與教學視訊、生產(chǎn)列表、安全信息、標準作業(yè)程序（SOP）、維護時程與運作狀況等相關(guān)數(shù)據(jù)，迭蓋顯示于行動裝置對應設備的實時影像上；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)，加速決策；AR工具投資報酬率計算器能試算投資回收期以及節(jié)省的成本與時間。

在生產(chǎn)現(xiàn)場進行反應性維護（Reactive Maintenance）與疑難解答時，AOA可以讓技師透過AR實時掌握設備作業(yè)、傳感器是否啟動等情況，不會被作業(yè)中的設備阻擋視線，也不需要停機，效率比人機接口（HMI）傳統(tǒng)作業(yè)方式高，可縮短作業(yè)中斷時間。

越是需要派遣技師到現(xiàn)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，提供實時現(xiàn)場狀況，讓技師掌握更多信息，快速找出問題點；AOA也會列出預測式維護作業(yè)，方便工作排程與人力調(diào)派。

AOA應用程序除了安裝在手機或平板計算機，也可以搭配智能眼鏡使用。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(nèi)各組件的實時數(shù)據(jù)，即可進行巡檢工作；或者依照AOA程序顯示的數(shù)字步驟圖標進行故障排除，按圖索驥，動作流程一目了然，避免錯誤。

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

王曉柔指出，施耐德電機已經(jīng)在國立勤益科技大學工具機大樓的示范產(chǎn)線導入AOA，藉由擴增實境技術(shù)讓學生進行模擬操作學習，同時搭配該軟件的程序指導功能，引導現(xiàn)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(yè)擴增實境顧問可根據(jù)擴增實境指引，實時協(xié)助操作人員排除故障，降低人為疏失可能。（source：施耐德電機）

HMI遠程操作 資安防護同步到位
隨著元宇宙世代來臨，未來智能工廠中的HMI技術(shù)研發(fā)與應用當不止于導入AR/MR，對此，王曉柔認為，未來智慧工廠的發(fā)展將與大數(shù)據(jù)應用高度相關(guān)，比方HMI應用架構(gòu)結(jié)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(quán)限，記錄使用人員信息，并追蹤使用期間的所有操作，以確保設備信息的安全性，同時改善信息管控質(zhì)量。

設備的遠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)絡或終端用戶現(xiàn)場網(wǎng)絡無法使用的情況下，人員透過行動裝置作為接入點，便可輕松啟動安全遠程維護。

值得一提的是，當大數(shù)據(jù)應用及遠程聯(lián)機成為主流，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(tǒng)，也可結(jié)合遠距安全聯(lián)機解決方案，進一步為企業(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備，如機械手臂、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備，無法與網(wǎng)絡聯(lián)機，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)絡與上位設備，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，讓設備數(shù)據(jù)可視化再升級，才可能為現(xiàn)場設備進行生產(chǎn)信息的分析與管理。這部分與數(shù)字升級有關(guān)，需要廠商主動擁抱數(shù)字變革，導入智能技術(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，施耐德電機正積極創(chuàng)造開放、永續(xù)、數(shù)據(jù)驅(qū)動和高效的新一代工業(yè)世界。為了實現(xiàn)這個愿景，施耐德電機不斷探索任何能帶動未來工業(yè)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(shù)據(jù)/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)/數(shù)字孿生仿真應用等最新技術(shù)，做好應對工業(yè)4.0的各種挑戰(zhàn)。