智慧工厂HMI的三大趋势 高弹性、视觉性、可靠性

随着元宇宙题材发酵，制造业智能工厂在AI、物联网、数字孪生、AR/VR等技术导入后，人机接口（HMI）智能化脚步也愈来愈快。其中，高弹性、视觉性、可靠性，将是其发展的三大趋势。

麦肯锡（McKinsey）发布最新报告指出，全球企业与消费者2022年投入元宇宙有关的投资金额已超过1200亿美元，预估2030年年度支出总额可能高达5兆美元；彭博情报（Bloomberg Intelligence）预估，2024年元宇宙市场规模将达8000亿美元，跨产业链商机涵盖资通讯、半导体、制造业、服务业、金融业、教育业等领域。

随着源宇宙题材发酵，制造业智能厂房在AI、物联网、数字孪生、AR/VR等技术导入后，人机接口（HMI）智能化脚步也愈来愈快。

智慧工厂HMI三大发展趋势
1988年Pro-face（普罗菲司）全球第一台人机接口（HMI）上市，可连接各品牌不同控制器，如PLC、马达、温控器、变频器、运动控制器、机械手臂、机器视觉等，满足大量数据和安全连接上层（中控室）和现场层（工厂）网络的需求。HMI导入日趋成熟的AI技术后，更加速厂房智慧化脚步，比方施耐德电机推出Pro-face HMI基本型人机接口ST6000全新版本，近年也致力于导入工业扩增实境顾问Augmented Operator Advisor（AOA），藉由扩增实境技术进行模拟操作学习。

施耐德电机工业自动化事业部产品经理王晓柔指出，随着工业4.0与智能制造相关技术的推进，施耐德电机观察到智能工厂中人机界面（HMI）有三大发展趋势：高弹性、视觉性、可靠性，也是Pro-face HMI Centric人机中枢体系架构重点。

这个架构以人为中心，利用HMI及IPC做为人员与机器沟通的接口，连接IT及OT，达到自动化的目的，让人员跟机器有更好的互动，人员直觉操作也能极大化工作效率。

趋势一:高弹性
各产业客户需求不尽相同，例如半导体和面板厂等客户所需要的HMI功能各异，须根据厂房环境做出适当调整，因此客制化成为一大关键。Pro-face人机接口的高灵活性是一大优势，不仅支持全面通讯格式，也能与各品牌控制组件互通互联。日本知名的造纸大厂川之江造纸机械有限公司自1992年Pro-face首次推出以来便持续采用至今。

趋势二:视觉性
HMI协助厂房及产线生产过程数据化。近年来，不少客户端仰赖HMI将数据可视化，进行生产信息的管理与分析，而人机接口的SCADA图控软件提供可视化报表，可协助人员快速且正确的做出决策。

趋势三:可靠性
HMI信息及远距联机的安全性极为重要。HMI可搭配资安系统，进行设备生命周期维护，也可搭配远距安全联机解决方案，客户端可以安全地进行远程操作。

此外，内建IIoT功能也常见于工业自动化零组件产品，基于开放式架构，能与不同品牌产品轻松联机，举例来说，若工具机搭配Pro-face人机接口，可辅助操作人员与设备沟通，辅助功能机业者加速产品开发，整合软硬件，也可以提供云端产品与服务，对于需要导入智能制造、数字维护售服的业者来说，无需自行开发软件、建模，可以大幅节省时间与成本。

为推动智能制造，施耐德电机也致力于将工业自动化解决方案应用于工具机产业，比方与全球金属加工设备领导厂商凯柏精密机械共同开发结合门型机械手、物联网功能的智能工具机，整合多道生产程序，提高生产效率。制造业导入AR等技术应用，有助提升作业、维修效能，如运用AR存取IoT数据，能够依用户需求提供有用的指定信息，也比纸本数据更方便有效率。

至于AR在支持生产现场协作的应用更具优势，可以让作业更一致、有效率，提高安全性，大幅减少人为错误，避免意外导致作业中断，还能加速问题排除，缩短平均修复时间（MTTR）。


 
图1 : HMI可搭配资安系统进行设备生命周期维护，也可搭配远距安全联机解决方案安全地进行远程操作。

HMI智能再升级 AOA应用程序助攻
智能工厂中的人机接口也逐渐导入AR/MR等进阶技术。在智能工厂中，AR/MR技术多使用于行动装置，作为HMI的延伸，辅助HMI丰富化信息，现场人员在移动的过程中可以透过行动装置搭配信息、影片、手册等数据，完整监看设备端，在设备需要进行维护时，也能在第一时间做出最佳决策。

以瑞士设备制造大厂Buhler Group为例，生产现场的操作员实时存取CAD图、手册与教学视讯、生产列表、安全信息、标准作业程序（SOP）、维护时程与运作状况等相关数据，迭盖显示于行动装置对应设备的实时影像上；AR app还可以整合生产现场的IoT装置，提供各类信息，协助客户管理关键资产，加速决策；AR工具投资报酬率计算器能试算投资回收期以及节省的成本与时间。

在生产现场进行反应性维护（Reactive Maintenance）与疑难解答时，AOA可以让技师透过AR实时掌握设备作业、传感器是否启动等情况，不会被作业中的设备阻挡视线，也不需要停机，效率比人机接口（HMI）传统作业方式高，可缩短作业中断时间。

越是需要派遣技师到现场处理的应用，AR可能带来的成效越高，技师可以透过AOA观看教学视讯、查阅手册；透过AR app还可以跟专家进行影音通话，提供实时现场状况，让技师掌握更多信息，快速找出问题点；AOA也会列出预测式维护作业，方便工作排程与人力调派。

AOA应用程序除了安装在手机或平板计算机，也可以搭配智能眼镜使用。操作人员不需要实际打开设备箱体或进入危险场域，只要检视AOA虚拟投影出的设备箱体内各组件的实时数据，即可进行巡检工作；或者依照AOA程序显示的数字步骤图标进行故障排除，按图索骥，动作流程一目了然，避免错误。

HMI是IT与OT的沟通桥梁，需要呈现于AOA程序中的实时数据经由HMI搜集数据汇整后，经由服务器再分享给AOA程序装置，两者相互支持，发挥各自优势。

王晓柔指出，施耐德电机已经在国立勤益科技大学工具机大楼的示范产线导入AOA，藉由扩增实境技术让学生进行模拟操作学习，同时搭配该软件的程序指导功能，引导现场人员准确操作每项步骤，成功降低75%人为疏忽，减少83%的人员培训时间。



 
图2 : 工业扩增实境顾问可根据扩增实境指引，实时协助操作人员排除故障，降低人为疏失可能。（source：施耐德电机）

HMI远程操作 资安防护同步到位
随着元宇宙世代来临，未来智能工厂中的HMI技术研发与应用当不止于导入AR/MR，对此，王晓柔认为，未来智慧工厂的发展将与大数据应用高度相关，比方HMI应用架构结合脸部辨识功能，无需透过刷卡等动作就能够辨识操作人员的身份，只要代入HMI中预设编辑好的配方，就能有效控管操作者权限，记录使用人员信息，并追踪使用期间的所有操作，以确保设备信息的安全性，同时改善信息管控质量。

设备的远程操作也是未来的发展趋势。HMI搭载4G、WiFi路由器，即使在无法建立网络或终端用户现场网络无法使用的情况下，人员透过行动装置作为接入点，便可轻松启动安全远程维护。

值得一提的是，当大数据应用及远程联机成为主流，资安管控就成为重要课题，针对这类解决方案，可搭配资安系统，也可结合远距安全联机解决方案，进一步为企业的数据安全把关。

不过，虽然Pro-face的HMI能支持多种厂牌的各式设备，如机械手臂、视觉传感器等，但目前制造业中仍有不少厂商仍使用老旧设备，无法与网络联机，需要透过像Gateway数据撷取等工具，才能顺利搜集与传送数据到网络与上位设备，让OT端顺利与大数据结合，或者使用HMI搭配SCADA图控软件，让设备数据可视化再升级，才可能为现场设备进行生产信息的分析与管理。这部分与数字升级有关，需要厂商主动拥抱数字变革，导入智能技术，才可能让厂房愈来愈智慧。

结语
元宇宙缩短现实世界与虚拟世界融合的速度，为HMI带来不同启发，王晓柔指出，施耐德电机正积极创造开放、永续、数据驱动和高效的新一代工业世界。为了实现这个愿景，施耐德电机不断探索任何能带动未来工业世界进步的可行性。例如提升智慧厂房中设备的互动与合作性、整合大数据/工业物联网/数字孪生仿真应用等最新技术，做好应对工业4.0的各种挑战。