將PLC與先進的HMI系統(tǒng)整合，企業(yè)可以實現(xiàn)即時監(jiān)控和控制。
透過即時數(shù)據(jù)採集和分析，提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
PLC與HMI的結(jié)合將更加緊密，為工業(yè)自動化帶來更多創(chuàng)新價值。
可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller；PLC）在工業(yè)自動化中有著非常重要的地位。自1960年代問世以來，PLC已經(jīng)從簡單的繼電器替代品發(fā)展為高度複雜的控制系統(tǒng)。現(xiàn)代PLC不僅具有強大的處理能力和儲存能力，還能夠與其他設(shè)備和系統(tǒng)無縫通信。
高度複雜化的工業(yè)系統(tǒng)整合
隨著工業(yè)應(yīng)用的日益複雜，PLC的高性能和可靠性正不斷提升，必須能夠應(yīng)對更加苛刻的環(huán)境和更高的計算需求。而現(xiàn)代化的PLC也必須具備互聯(lián)性和高度整合性，支持多種通信協(xié)議，如Ethernet/IP、Modbus、Profinet等，能夠輕鬆與其他自動化設(shè)備和訊息系統(tǒng)整合。另外遠程監(jiān)控與維護也是重點，借助物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)，PLC系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控、故障診斷和維護，進而提高生產(chǎn)效率和設(shè)備運行時間。PLC是基於運算的系統(tǒng)平臺，用於控制生產(chǎn)設(shè)備的操作。它提高了生產(chǎn)過程的效率、可靠性和安全性。在許多情況下，內(nèi)建有PLC架構(gòu)的HMI是首選，因為它可以提供更複雜的應(yīng)用程序所需的更高程度的控制和自動化。
| 圖一 : 整合PLC和HMI系統(tǒng)後，工程人員需要學(xué)習(xí)和適應(yīng)新系統(tǒng)。 |
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至於人機介面（Human-Machine Interface；HMI）則是工廠操作員與機器設(shè)備之間進行交互的關(guān)鍵工具。HMI是一種允許操作者以安全有效的方式與生產(chǎn)設(shè)備進行通信和互動的介面。它通常使用觸控螢?zāi)弧存I或其他輸入方式，並提供實時監(jiān)控和操作控制功能。近年來，HMI已變得越來越重要，HMI的發(fā)展也經(jīng)歷了從簡單的數(shù)位顯示器和按鈕控制，如今的圖形化、觸控式和多功能化介面的演進，因為它能同時有效地監(jiān)視和控制多臺生產(chǎn)設(shè)備。
HMI越來越具有高度彈性，能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。它可以與各種元件和模組整合，包括微感測器等。現(xiàn)代HMI除了提供直觀的操作介面，並支援可視化功能，例如數(shù)據(jù)圖表、報表和趨勢分析。而HMI的可靠性對於工業(yè)自動化非常重要，它必須能夠持續(xù)運行，並在需要時提供即時的監(jiān)控和控制。隨著元宇宙、AI、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，智慧工廠的HMI將持續(xù)智慧化，並成為工業(yè)引領(lǐng)數(shù)位轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵元素。
智能感測器（Smart Sensors）具備數(shù)據(jù)處理和通訊功能，能夠?qū)h(huán)境參數(shù)、機器狀態(tài)等數(shù)據(jù)即時傳送給PLC。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過PLC處理後，再傳遞給HMI進行展示和控制。透過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，PLC與HMI系統(tǒng)可以實現(xiàn)跨設(shè)備、跨系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信與整合，提升整個生產(chǎn)過程的協(xié)同效率。而邊緣運算也能夠在本地端對數(shù)據(jù)進行初步處理，減少數(shù)據(jù)傳輸延遲；雲(yún)端運算則能夠提供強大的數(shù)據(jù)儲存和分析能力，實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和深度分析。
PLC與HMI整合面臨的挑戰(zhàn)
工業(yè)自動化的發(fā)展進程中，PLC和HMI的整合可以實現(xiàn)即時監(jiān)控、提高生產(chǎn)效率和進行智能管理。然而，這一過程中也面臨諸多挑戰(zhàn)，包括技術(shù)、操作、維護成本和安全等方面。
技術(shù)挑戰(zhàn)
通信協(xié)議兼容性
多樣性就是最主要挑戰(zhàn)。不同廠商的PLC和HMI設(shè)備可能使用不同的通信協(xié)議，如Modbus、Profinet、Ethernet/IP等。確保這些協(xié)議之間的兼容性和互操作性是一大挑戰(zhàn)。由於工廠中往往存在多品牌、多種類型的設(shè)備，統(tǒng)一通信協(xié)議並不容易。而協(xié)議轉(zhuǎn)換有時需要使用協(xié)議轉(zhuǎn)換器或中介軟體來實現(xiàn)不同協(xié)議之間的通信，但這可能增加系統(tǒng)的複雜性和成本。如何在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，實現(xiàn)高效的協(xié)議轉(zhuǎn)換，是一個需要深入研究的問題。
數(shù)據(jù)同步與實時性
在高要求的工業(yè)環(huán)境中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和丟包可能導(dǎo)致關(guān)鍵資訊的丟失或反應(yīng)延遲，影響生產(chǎn)效率和安全性。如何在複雜的網(wǎng)路環(huán)境中，確保數(shù)據(jù)的實時傳輸和高可靠性，是一個重要挑戰(zhàn)。另外也必須確保來自PLC的數(shù)據(jù)能夠即時處理和顯示在HMI上，對系統(tǒng)的處理能力和穩(wěn)定性提出了很高的要求。這需要強大的數(shù)據(jù)處理和優(yōu)化能力，以確保系統(tǒng)的高效運行。
操作挑戰(zhàn)
複雜性與培訓(xùn)
系統(tǒng)複雜性當然是最大的問題所在，整合PLC和HMI系統(tǒng)後，工程人員需要學(xué)習(xí)和適應(yīng)新系統(tǒng)，這可能涉及到新的操作介面和控制流程。系統(tǒng)的複雜性增加了操作上的負擔，可能影響生產(chǎn)效率。因此需要對操作人員和維護人員進行全面的培訓(xùn)，以確保他們能夠有效地使用和維護整合後的系統(tǒng)。這需要投入大量的人力和物力，進行長期的培訓(xùn)計劃。
數(shù)據(jù)管理與分析
隨著更多感測器和設(shè)備的導(dǎo)入，數(shù)據(jù)量呈指數(shù)增長，如何有效地儲存、管理和分析這些數(shù)據(jù)是一個挑戰(zhàn)。大量的數(shù)據(jù)需要高效的管理和分析工具，才能發(fā)揮其應(yīng)有的價值。此外，也必須確保數(shù)據(jù)的準確性和一致性，避免因數(shù)據(jù)錯誤導(dǎo)致的決策失誤。數(shù)據(jù)品質(zhì)的控制需要嚴格的數(shù)據(jù)標準和監(jiān)控機制。
維護和成本挑戰(zhàn)
系統(tǒng)維護
整合後的系統(tǒng)更加複雜，維護工作量和難度也隨之增加。需要專業(yè)的技術(shù)人員進行維護和故障排除，這增加了人力資源的需求和維護成本。而隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，軟體與硬體的更新?lián)Q代速度加快，需要定期對系統(tǒng)進行更新和升級，這會增加運營成本。如何在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的同時，進行有效的更新和升級，是一個需要解決的問題。
初期投資與持續(xù)成本
整合PLC和HMI系統(tǒng)需要大量的初期投資，包括硬體購置、軟體開發(fā)和系統(tǒng)整合等方面的成本。這可能成為一些中小企業(yè)進行數(shù)位轉(zhuǎn)型的主要障礙。除了初期投資，還需要考慮系統(tǒng)運行中的持續(xù)成本，如維護費用、升級費用和培訓(xùn)費用等。如何在控制成本的同時，確保系統(tǒng)的高效運行，是企業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)。
系統(tǒng)安全
| 圖二 : 洛克威爾自動化協(xié)助業(yè)界建立多功能HMI解決方案 |
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工業(yè)系統(tǒng)安全一直都是個重要的議題。根據(jù)洛克威爾自動化發(fā)佈的《工業(yè)營運的100+網(wǎng)路資安事件剖析》報告顯示，近60%針對工業(yè)領(lǐng)域的網(wǎng)路攻擊是由國家附屬攻擊者所主導(dǎo)，其中約33%是由內(nèi)部人員誤觸；這也證實OT／ICS資安事件的規(guī)模與頻率皆持續(xù)增長，且主要針對如能源製造產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。
洛克威爾自動化全球網(wǎng)路資安服務(wù)商務(wù)總監(jiān) Mark Cristiano 表示，能源、關(guān)鍵製造、水處理與核設(shè)施，在已通報的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)業(yè)攻擊事件為多數(shù)，預(yù)期未來對網(wǎng)路資安攻擊通報的法規(guī)和標準將普遍更加嚴格，市場可望獲得針對資安攻擊性質(zhì)、嚴重性和預(yù)防措施的洞察。
在OT／ICS 事件研究中，60%事件直接導(dǎo)致營運中斷，另外40%則造成未經(jīng)授權(quán)的存取與資料外流；然而，網(wǎng)路攻擊造成的損害還會延伸到受影響企業(yè)之外，其中65%攻擊事件擴大連帶至供應(yīng)鏈。
研究指出，強化IT系統(tǒng)資安是關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施與製造設(shè)施預(yù)防網(wǎng)路攻擊的重要手段，80%以上的OT／ICS事件皆始於IT系統(tǒng)入侵，其原因為跨IT／OT系統(tǒng)與應(yīng)用程式的連線功能越來越多，賦予OT網(wǎng)路及外界溝通能力的IT系統(tǒng)成為OT攻擊者的突破點，顯現(xiàn)部署合適的網(wǎng)路架構(gòu)對於強化企業(yè)的網(wǎng)路資安防禦能力極其重要。
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入，PLC和HMI系統(tǒng)越來越頻繁地連接到互聯(lián)網(wǎng)，這使得它們更容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊，如惡意軟件、勒索軟體攻擊等。工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)路安全成為一個不可忽視的問題，需要全面的安全防護措施。而在訪問控制層面上，也需要有效的身份驗證和訪問控制機制來防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和操作，保護系統(tǒng)免受內(nèi)部和外部威脅。
PLC與HMI整合策略
在策略上，可以採用分步實施的策略，逐步整合PLC和HMI系統(tǒng)，並在每個階段進行測試和優(yōu)化，以降低風(fēng)險和成本。分步實施可以使企業(yè)在逐步推進數(shù)位轉(zhuǎn)型的過程中，不斷積累經(jīng)驗和優(yōu)化系統(tǒng)。而選擇有經(jīng)驗和技術(shù)實力的系統(tǒng)整合與供應(yīng)商，可以確保整合過程順利進行。專業(yè)的合作夥伴可以提供先進的技術(shù)和解決方案，幫助企業(yè)更好地實現(xiàn)數(shù)位化轉(zhuǎn)型。另外也必須加強網(wǎng)路安全措施，採取多層次的安全措施，包括防火牆、入侵檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)加密等，保護系統(tǒng)免受網(wǎng)路攻擊。網(wǎng)路安全措施需要不斷更新和升級，以應(yīng)對不斷變化的安全威脅。
結(jié)語
將PLC與先進的HMI系統(tǒng)整合，企業(yè)可以實現(xiàn)即時監(jiān)控和控制。透過即時數(shù)據(jù)採集和分析，提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。利用數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)，也可以做到預(yù)測性維護，提前預(yù)測設(shè)備故障，降低停機時間。也可以提高系統(tǒng)可視性，全方位的數(shù)據(jù)可視化，能幫助管理層做出更好的戰(zhàn)略決策。
PLC與HMI的結(jié)合是工業(yè)數(shù)位轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動力。透過導(dǎo)入先進的微感測器、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及邊緣計算，企業(yè)可以實現(xiàn)更高效、更智能的生產(chǎn)管理。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC與HMI的整合將會更加緊密，為工業(yè)自動化帶來更多的創(chuàng)新和價值。
