人機介面(HMI)是製造系統(tǒng)中人與機臺的溝通橋樑，隨著工業(yè)4.0興起，HMI進一步成為OT與IT系統(tǒng)的資訊傳輸樞紐。然而，隨著PLC(Programmable Logic Controller)可程式控制器與HMI的相似度越來越高，HMI與PLC的競合關係是否出現(xiàn)變化？HMI在智慧工廠中如何創(chuàng)造自己的被利用價值？
人機介面（Human Machine Interface；HMI）與可程式控制器（Programmable Logic Controller；PLC）是製造現(xiàn)場最重要的自動化設備， HMI的主要功能是連接PLC、變頻器等工控設備，透過輸入介面（如觸控螢幕、鍵盤、滑鼠等）寫入工作參數(shù)或操作指令，人機互動資訊透過螢幕顯示，實現(xiàn)人機資訊交流及共享。
HMI的硬體包含處理器、顯示單元、輸入單元、通訊介面、資料存儲單元等，其中，處理器的性能決定HMI的性能高低。導入IT後，主要關鍵技術在觸控螢幕，觸控螢幕已取代多數(shù)按鍵、滑鼠、鍵盤功能，提供更簡便、美觀的直覺式操作介面，透過USB與乙太網(wǎng)路等輸出技術，HMI可以與系統(tǒng)無縫接軌。HMI的軟體包含硬體中的系統(tǒng)軟體，以及PC機Windows作業(yè)系統(tǒng)下的畫面組態(tài)軟體等，透過Windows軟體與乙太網(wǎng)路，HMI的軟體如SCADA(資料採集與監(jiān)控系統(tǒng))可以與MES(Manufacturing Execution System)製造執(zhí)行系統(tǒng)、ERP(Enterprise resource planning)企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)等相互串連。
在工業(yè)4.0浪潮下，所有設備必須有連網(wǎng)能力，導入IT後，HMI仍然扮演製造設備的監(jiān)控角色，只是角色與功能更多，必須讓設備數(shù)據(jù)可以被數(shù)位化，以利管理者監(jiān)控。未來，HMI的功能不僅止於顯示設備的數(shù)據(jù)，也能延伸到產(chǎn)線與廠方端，除了輸入、輸出控制外，還可以執(zhí)行其他加值功能，如設備操作記錄、大數(shù)據(jù)資料蒐集、警報資訊提醒、趨勢曲線分析等。
在智慧工廠發(fā)展架構(gòu)下，想要提高多數(shù)據(jù)可視化功能，HMI必須搭載更多圖像化資訊，才能方便生產(chǎn)流程管理與廠房控制，也因此帶動大尺寸、高解析顯示面板的需求。視覺圖像需要靠精確的數(shù)據(jù)協(xié)助，少數(shù)先進廠房已運用3D模型提高操作便利性與執(zhí)行效能。
因此，HMI也開始搭載高階元件或高階顯示解決方案以提升運送功能，如獨立顯示晶片或新一代整合型顯示晶片。5.7吋以上的HMI產(chǎn)品多為彩色LCD，平板PC也成為HMI高端硬體，小於5.7吋的HMI產(chǎn)品功能則逐步增強，導入I∕O功能。隨著AR、VR及遠端控制應用的興起，HMI操作介面甚至出現(xiàn)新興裝置與應用，如語音和感測技術。
5G帶動的HMI大未來
物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)興起使HMI加速整合PC系統(tǒng)與網(wǎng)路瀏覽器支援技術，硬體方面主要是PC通訊與支援資料輸入、輸出，包含HDMI、USB、GB等級的乙太網(wǎng)路RJ-45，無線通訊的Wi-Fi介面等；軟體方面則包含Windows與Linux架構(gòu)，另外也增加更多Web圖形化支援能力，以及與遠端行動裝置同步的功能。
工研院產(chǎn)科國際所資深分析師黃仲宏進一步勾勒5G專網(wǎng)帶動下，HMI的可能發(fā)展及突破，「如果在工業(yè)運用上有AR顯示器與伺服器回傳，搭配5G低延遲、高傳輸量及聯(lián)網(wǎng)特性，AR介面大有可能取代HMI，提供雲(yún)端化介面服務?！贡绕饌鹘y(tǒng)人機介面可能產(chǎn)生如人為操作錯誤導致的製程中斷、需要較長的維護時間相比，AR更能做到即時操作，處理工廠生產(chǎn)流程圖、機臺操作維護及運用、生產(chǎn)清單、安全資訊，以及生產(chǎn)標準作業(yè)程序。
黃仲宏表示：「AR頭戴式裝置是很被看好的殺手級運用，帶來使用者與數(shù)位內(nèi)容的全新互動方式，這些互動可以透過行動裝置對應設備顯示出來，也是IT技術導入後可能帶來的改變。」電子大廠如美國的艾默森、德國的西門子等都已推動APP或軟體產(chǎn)品支援AR發(fā)展，國內(nèi)如HTC、和碩等也有相關硬體發(fā)展。
「IT技術除了以AR呈現(xiàn)，也可以結(jié)合數(shù)位雙生(Digital Twin)概念?！裹S仲宏進一步說明，數(shù)位雙生是把工業(yè)應用上的真實物體打造成3D模型，在電腦上呈現(xiàn)，只要設備機臺裝上感測器，利用蒐集到的數(shù)據(jù)就可以在電腦上操作3D模型，讓生產(chǎn)、製程、產(chǎn)品等透過AR、VR、MR等應用，以4k、8k影像呈現(xiàn)數(shù)位效能，「5G低延遲、互聯(lián)、大數(shù)據(jù)等特性會比現(xiàn)在的平板HMI更有效率，互動更realtime，也更具臨場感，發(fā)展空間與效能都很大?！?/span>
然而，在5G應用發(fā)展成熟之前，HMI還是停留4G環(huán)境下的傳統(tǒng)應用，仍需仰賴傳統(tǒng)人機介面觀看流程、監(jiān)控，就算5G到位，成本問題也可能降低製造業(yè)升級意願。以製造業(yè)工廠來說，技術穩(wěn)定比較重要，高科技或「炫技」次之，「所以5G未來導入IT是否被業(yè)者接受進而推廣運用於智慧製造，需要再觀察，如果ROI不明顯，業(yè)者也可能會卻步?！?/span>
製造業(yè)的痛點：整合難
進一步檢視國內(nèi)製造業(yè)者的HMI發(fā)展狀況，多半還是很傳統(tǒng)。工研院南分院副組長李坤敏指出，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)導入工業(yè)4.0的動機不外乎是提高良率與產(chǎn)能、降低成本、符合客戶需求(如生產(chǎn)履歷)等，在真正的「智慧工廠」與5G環(huán)境成熟之前，4G世代的國內(nèi)製造業(yè)者在HMI的操作應用上主要面臨的痛點是：各家PLC有各自的資料格式、通訊協(xié)定，造成整合困難，而且相當耗時。
| 圖1 : 資料可視化是導入智慧製造最急迫的項目。（source：工研院/forenex；智動化整理） |
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李坤敏坦言，絕大部分的國內(nèi)廠商從3.0到4.0資料可視化的投資金額遠小於投入AI領域，短期內(nèi)，臺灣絕大部分傳產(chǎn)或中小規(guī)模製造業(yè)者還是會鎖定資料可視化發(fā)展，「資料可視化(SCADA)是目前導入智慧製造最急迫的項目，而可視化的第一步為資料收集，這部分國內(nèi)機臺逾82%以PLC、HMI連線方式居多?！菇鉀Q製造業(yè)痛點，因應之道有二：一是提供業(yè)者加速PLC解析與解譯的工具，以提高服務產(chǎn)能，二是提供可程式化SCADA工具與自我組態(tài)無線網(wǎng)路佈建工具。
過去PLC解譯採人工比對，亂中有錯，徒增人工與時間成本，過程中還需人工訓練、網(wǎng)路拉線、停機等各環(huán)節(jié)相互配合。以一般100點場域的工廠環(huán)境而言，PLC原始程式解析與程式開發(fā)需耗時15天，資料驗證需7天，透過工研院PLC暨HMI資料轉(zhuǎn)譯工具進行PLC位址掃描並擷取機臺生產(chǎn)數(shù)據(jù)，線上即時判定，可縮短70%以上PLC解譯與數(shù)據(jù)驗證時間，降低誤判率；使用HMI資料標記工具標記各時間點辨識區(qū)域數(shù)值後，可自主上傳與開發(fā)SCADA圖像，正確率達99.48%?！肝覀儝裢侠绞酱钆鋱D庫，HMI可以自己編輯內(nèi)容，只要開發(fā)過一次並留下圖庫檔，下次就可以節(jié)省70%重複開發(fā)時間，縮短80%網(wǎng)路佈建時間，協(xié)助業(yè)者縮短時間成本，提高效益。」成功案例包含益昇智慧與福壽實業(yè)建構(gòu)遠端監(jiān)管平臺的IT/OT整合服務，加速中小製造業(yè)(手工具產(chǎn)業(yè))智慧應用；系統(tǒng)整合商愛文西門(律輝)及世豐螺絲也曾運用平臺整合及衍生多樣化功能，成功支援AI應用建置；東豐路竹廠與伯錦智慧化製造工具則透過系統(tǒng)整合運用工具，成功支援智慧製造。
| 圖2 : PLC暨HMI資料轉(zhuǎn)譯流程。（source：工研院） |
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| 圖3 : 可程式化SCADA管理平臺暨網(wǎng)路佈建工具。（source：工研院） |
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HMI與PLC是朋友還是敵人？
5G與AR的發(fā)展可能讓HMI進入另一個高度，而在HMI發(fā)展過程中，還有一個值得觀察的可敬對手，就是似敵似友的PLC。許多PLC系統(tǒng)和HMI系統(tǒng)一起使用，也有部分PLC的邏輯處理功能直接整合到HMI軟體中，或者將PLC和I/O模組嵌入HMI整合系統(tǒng)，隨著IT技術的導入，HMI及PLC的部分技術與模組可以共用，自動化系統(tǒng)的整合性更好，因此，二者之間定位的相似度與搭配性也越來越高。
工研院產(chǎn)科國際所資深分析師黃仲宏認為，網(wǎng)路化與雲(yún)端化是HMI的未來趨勢，但在角色「再定位」的過程中，HMI不妨從可敬對手—PLC身上找靈感。臺灣PLC的年市場規(guī)模約35-40億元，近年來PLC結(jié)構(gòu)朝模組式發(fā)展，業(yè)者可以選購PLC所需功能模組補足或升級需求，比方增加I/O點數(shù)或增加網(wǎng)通卡支援通訊協(xié)定，也有越來越多PLC搭配HMI，成為另一種「標配」。值得注意的是，另有一股趨勢同步發(fā)展，即操作員的電腦、手機、平板等裝置只要有套裝軟體，就可以直接跟PLC溝通，不一定非要HMI不可，「其他裝置能跳過HMI跟PLC溝通，傳統(tǒng)HMI的重要性可能因此顯得越來越薄弱。」
| 圖4 : 可程式化SCADA管理平臺暨網(wǎng)路佈建工具。(Source：工研院) |
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另一方面，隨著PLC越來越自動化控制器(PAC)化，PLC與PAC都有邊緣運算功能，可以透過晶片、處理器處理大數(shù)據(jù)，而且隨時可以上雲(yún)端，與互聯(lián)網(wǎng)設備連結(jié)，在邁向IT、智慧工廠的過程中，PLC軟硬體已經(jīng)模組化，而且可以與其他平臺溝通連結(jié)，
如此一來，HMI是否會逐漸被邊緣化，甚至被取代？對此，黃仲宏認為，HMI可能被整合，比方PLC業(yè)者會主動整合HMI，或者HMI業(yè)者也可能結(jié)合PLC，「在工業(yè)應用上，單獨的HMI可能會式微，但是整合PLC的HMI或二合一的產(chǎn)品會成為新常態(tài)?！?/span>
他進一步指出，未來HMI一定具備上網(wǎng)能力，邁向智慧通訊，處理速度高，而且儲存容量大，可以支援處理很多開放通訊接口，朝整合智慧製造發(fā)展，「以前是分散控制，線上即時控制，將來統(tǒng)一架構(gòu)(OPC UA)是主流，很多東西會被整合在一起，PLC與HMI都涉及資料擷取與處理，二者的功能會越來越模糊，角色會越來越同質(zhì)化?！?/span>
而在”We are Family”的整合時代全面到來前，彼此的獨立優(yōu)勢還是有的，畢竟不是所有user端(工廠)都有或需要整合能力，很多環(huán)境不一定要用PLC+HMI。此外，無線化是否存在資安疑慮、無線傳輸是否干擾Wi-Fi的穩(wěn)定性、投資效益是否明顯等都是業(yè)者的考量重點，「成本、資安、需求問題以及系統(tǒng)整合人才難尋等都會影響PLC及HMI的整合速度與發(fā)展成熟度。」
如果打不贏 那就加入他
不同廠牌HMI硬體、畫面軟體不盡相同，但對應連結(jié)的設備都是PLC，在PC或Windows作業(yè)系統(tǒng)下，PC性能越高，大型監(jiān)控系統(tǒng)人機介面就有存在的價值，「如果HMI有相對應的軟體，才可能在PC、手持裝置中脫穎而出，扮演更好的角色，但這些優(yōu)勢需要時間醞釀?！共幌氡贿吘壔虮惶蕴琀MI業(yè)者需要積極思考新的整合策略。
黃仲宏建議，HMI的設計可以朝多元化發(fā)展，透過創(chuàng)意設計或整合，把所有數(shù)據(jù)設計成可視化，「不是只有OT端，而是IT、OT端都可視化，可以協(xié)助管理者建立快速反應機制，建立設備運作狀況，讓HMI更貼近end user需求?！棺罱K的目的還是打入智慧製造行列，進入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，「HMI如果無法單獨突破自己的優(yōu)勢，整合是另一種方式，不一定是等著被整合，也可以主動整合PLC?！箵Q言之，唯有朝多元應用發(fā)展，HMI才可能在未來的智慧工廠中找到更多被利用價值。
**刊頭圖（source：forenex）
