1概論
人機接口(human machine interface，hmi)或稱為操作者接口(operator interface，oi)，泛指使用者可以經由圖形監控軟件在pc或通用型人機接口上，以文字、數字或圖形的方式來顯示系統的制程或機械的狀態、警報及其它相關訊息。
早期的人機接口是簡單的機械狀態指示燈，諸如：電源投入、馬達運轉、停止或過載等，只需要少數的按鈕、開關搭配各種顏色、大小和外形的指示燈，即可經濟有效地顯示出機械的運作狀態。較為復雜的控制系統，除了簡易的機械狀態指示燈之外，有時尚需輔以一行或兩行的文字/數字型式之平面式顯示屏作為輔助說明。之后逐漸進展到搭配各種商業化的單色/彩色屏幕，并使用條狀圖(bar chart)、趨勢圖(trend)等多元化的訊息及圖形顯示等方式來展現系統或機械的狀態。當遭遇到相當龐大而且復雜的制程控制時，工業級計算機終端機則可提供最具彈性且功能強大的窗口以及先進的計算功能，因此可以在同一時間內提供精確的輸入/輸出信息及系統制程或機械的狀態。
目前的工業級人機界面，大多數為一種智能型的圖形顯示屏，它是專為plc應用而設計的小型工作站，能取代大部分的外部輸入及輸出組件，省卻了人工配線、材料及工時，此外亦能將plc接點變化、數值數據等，以多元化的文字、數字及圖形，實時顯示于lcd屏幕上，使系統制程或機械操控更加自動化、人性化，因此工業級人機界面已廣泛應用于分布式(dcs)控制系統中之單機或整廠監控。

2通用型人機接口圖形監控
2.1 plc圖形監控技術
廣義的圖形監控，意指適當的設計或發展一親和性的人機接口，以操控或顯示系統的制程和機械狀態。plc圖形監控技術，大致上可分為下列幾種：
2.1.1通用型的人機接口
主要在于選購一通用型的人機接口(硬件)，并配合其附屬的圖控軟件，在pc上進行圖控畫面的編輯和設計，經過編譯成執行檔后下載至人機接口，之后由人機接口與plc進行聯機監控。
2.1.2pc/ipc圖形監控
 pc/ipc之圖形監控，可分為下列兩種模式：
 (1)套裝式人機接口圖控軟件
選購一合適的套裝式人機接口圖控軟件，在一般pc/ipc上進行圖控畫面的編輯、編譯及除錯，之后經由圖控軟件本身所提供之各plc驅動程序，由pc/ipc直接與plc作聯機監控。
 (2)自行發展人機接口圖控軟件
利用現有的程序語言，諸如：visual basic(vb)、foxpro、delphi、turbo c、labview之類的程序語言，在pc上自行設計、發展所需的i/o接口及圖控畫面，進行pc/ipc與plc之聯機監控。
一般而言，通用型人機接口廠商隨機(產品)發行的使用說明書，大致上是針對硬體規格、特性及軟體各功能選項作條文式敘述，因此較不利于user的學習。有鑒于plc在產業自動化中占有舉足輕重的地位，且在plc的圖形監控技術中，以使用通用型人機接口搭配其附屬的套裝式圖控軟件，在圖控設計上較為簡易。對于欠缺程序語言設計知識及經驗的使用者而言，可以在很短的時間內學會圖控軟件的操作，進而規劃所需的監控畫面，因此本專欄擬就人機接口圖形監控等應用實務作一簡介。
2.2 通用型人機接口_hitech
市售通用型人機接口為數很多，在此暫以hitech之觸控式工業級人機接口作一介紹，其硬件稱為pws，可聯機監控各知名廠牌之plc，諸如：ab、ge、mitsubishi、omron、siematic、vigor等。至于搭配pws使用之操作軟件，則稱之為adp(application development program)。
2.2.1 adp模擬方式
adp支持2種模擬方式，一為離線模擬，另一為在線仿真，adp仿真示意圖分別如圖1及圖2所示。離線模擬時不接plc，在線模擬主要是利用pc的rs-232通訊接口，提供設計者將應用程序仿真成實際的人機接口環境，并透過plc?pc的通訊線及監控程序，使pc可以讀取或寫入與畫面組件相關之plc信號接點或緩存器數值，進而完整的表達出設計者欲在人機接口上所展現的圖形監控結果。
2.2.2 聯機監控
plc_pws聯機監控示意圖如圖3所示，聯機監控可分為2部份：
 (1)下載連接：adp經過編譯及除錯后之執行檔，由pc下載至人機接口硬件-pws。
 (2)通訊連接：pws可以讀取或寫入與畫面組件相關之plc信號接點或緩存器數值，并實時以多元化的文字、數字及圖形顯示于智能型的lcd圖形顯示屏上，使操作者能經由人機接口屏幕清楚的知道機械狀態，并經由屏幕所提供之觸控鍵控制其動作，達成人機接口圖形監控的最終目的。

3人機接口圖形監控應用實務
3.1 取代外部輸入/輸出組件及簡化程序設計
工業級人機接口，能取代大部分的外部輸入及輸出組件，省卻了人工配線、材料及工時，并可以簡化程序設計。在此以常用之組件為例，說明其等效之輸入/輸出組件及指令。

圖1pc離線模擬示意圖

圖3 plc_pws連線監控示意圖

 ● 組件按鈕
(1)設on=set，(2)設off=rst，(3)保持型按鈕=pb，(4)交替型按鈕=sw，(5)設常數值= mov kn d20，(6)加值=add d20 kn d20，(7)減值=sub d20 kn d20。
 ● 組件指示燈
各種顏色、大小和外形之指示燈。
 ● 組件數值輸入
(1)10進制按鍵=tky x0 d100 m0，(2)定時器/計數器之間接設定值=mov kn d20，(3)16進制按鍵=hky x0 y0 d100 m0，(4)指撥開關=dsw x10 y10 d100 k1，(5)數據緩存器設定值=mov kn d20。
 ● 組件數值顯示
(1)七段顯示器=segl d101 y0 kn (0~3)，(2)定時器/計數器現在值，(3)數據緩存器內容值。
3.2 人機接口圖形監控應用范例

圖4 計時控制電路

 【例1】基本指令之圖形監控
 (1)某計時控制電路如圖4所示，t0、t2為一般型定時器，t250為停電保持型定時器。定時器設定值：t0、t250為直接設定，t2則透過d20作間接設定。
 (2)適當選用adp組件，設計一般型與停電保持型定時器之圖形監控畫面如圖5所示，組件設置及格式如表1所示。

圖5 計時控制電路之圖形監控

表1 計時控制電路組件設置及格式

【例2】plc階梯圖或sfc之圖形監控
 (1)plc一般階梯圖、機械狀態流程圖(msc)或順序功能流程圖(sfc)，均可執行相關的人機接口圖形監控。
 (2)某單向十字路口紅綠燈控制電路之sfc如圖6所示，其圖形監控畫面如圖7所示，組件設置及格式如表2所示。

圖6 單向十字路口紅綠燈sfc

表2 監控組件設置及格式

【例3】plc數值表示及其圖形監控
 (1)plc內部之數值運算或儲存全部采用二進制數值，無論是16位或32位之數值，均以其最高位msb(b15 or b31)表示該數值之正負，剩下之位(b14~b0或b30~b0)才真正用以表示數值大小。當msb為1，則此數為負數，plc之負數系以2的補碼(2`s complement)來表示。所謂2的補碼，系將等值正數之所有位(b15~b0或b31~b0)反相(1變0，0變1，亦即所謂1的補碼)，然后再加上1，即變成2的補碼。
 (2)初學習者對上述plc數值表示之文字解說，往往是“丈二金剛摸不著頭緒”，故在此設計一plc數值表示及圖形監控畫面如圖8所示，其中之階梯圖程序可經由繪圖菜單選項中之垂直線及水平線加以繪制，輔以靜態文字標示出組件接點編號及應用指令。經由數值輸入及狀態指示燈等組件設計及配置，即可讓初學者對plc數值、應用指令操作數中之位緩存器(kny0)及負數表示方式等有更進一步的認識和了解。組件設置及格式如表3所示。

 表3plc數值表示及圖形監控組件設置及格式

【例4】功能或應用指令之圖形監控
plc的功能或應用指令，是由應用指令及操作數所構成，其中之來源[s]或目的[s]操作數處理的對象大部分是位緩存器或16/32位的數據緩存器。但是一般的使用手冊對應用指令的解說，都偏向于文字的敘述，對初學者而言，可能看完之后還是懵懵懂懂。作者在從事plc應用指令的教學及實習時，適度的設計了一些相關的圖形監控畫面，發現不但可以提高學習的興趣，另一方面也提升了學習的成效。

圖7 單向十字路口紅綠燈之圖形監控

圖8plc數值表示及圖形監控

 (1)針對【例2】圖8中之圖形監控畫面，稍為增添或刪除一些組件，即可驗證其它應用指令的含義，例如：數據傳送(12_mov)、數據反相傳送(14_cml)、加1(24_inc)、減1(25_dec)、補碼(29_neg)、右/左旋轉(30_ror/31_rol)、位右/左移位(34_sftr/35_sftl)、譯碼/編碼(41_deco/42_enco)、on位數總和(43_sum)及指定位狀態檢查(44_bon)…等指令。
 (2)此外也可就數據緩存器的相關指令，設置適當的數值輸入及數值顯示組件，外加一些條件接點按鈕，即可增進對四則運算：整數型加法(20_add)、減法(21_sub)、乘法(22_mul)、除法(23_div)、位緩存器寫入/讀取(38_sfwr/39_sfrd)、平均值(45_mean)及萬年歷的讀取/寫入(166_trd/167_twrs) …等指令的認識與了解。
【例5】應用指令執行模式之圖形監控

圖9應用指令執行模式

 (1)如圖9所示之應用指令連續執行及脈波(p)執行[執行1次]模式，在解說時往往要費一番口舌，并需經由程序書寫器監看lcd畫面或外接之七段顯示器，方才能了解其含義。
 (2)設計一人機接口圖形監控畫面如圖10所示，透過數值顯示組件監看數據緩存器內容之變化，進而了解或驗證應用指令之連續執行及脈波執行的模式及其實際意義。組件設置及格式如表4所示。

 圖10 應用指令執行模式之圖形監控

表4 指令執行模式之圖形監控組件設置及格式

【例6】控制系統或制程之圖形監控_水冷式箱型冷氣控制
(1)某水冷式箱型冷氣控制系統，有兩種操控運轉方式：手動及自動操作，動作時序如圖11所示：

圖11 動作時序圖

(2)手動操控有3個運轉按鈕，分別為：冷卻系統[x3]、送風[x4]及壓縮機[x5]；自動操控祇有自動運轉開始[x2]1個按鈕。無論手動或自動方式操控運轉，啟動程序如下：①先行啟動冷卻系統，泵[y13]及冷卻水塔[y14]之電動機運轉，同時冷卻系統指示燈[y3]亮；②之后啟動送風系統，冷凝器電動機[y12]加入運轉，送風指示燈[y2]亮；③最后壓縮機[y11]加入運轉，壓縮機指示燈[y1]亮。
(3)無論手動或自動方式操控運轉，都以自動停機按鈕[x1]來執行關機操作：①壓縮機先停止運轉；②5秒后冷凝器電動機停止運轉；③10秒后，泵及冷卻水塔電動機停止運轉。
(4)運轉中按下緊急停止(ems)開關[x6]，全部電動機應立即停止運轉；待ems解除栓鎖后，才能恢復正常操作。
(5)plc程序設計因篇幅關系在此從略，您可嘗試依先前『淺談結構化程序設計』文中所述程序設計方法加以編輯程序。依照題意中之i/0組件編號，設計此一水冷式箱型冷氣控制之人機監控畫面如圖12所示，組件設置及格式如表5所示。

圖12水冷式箱型冷氣控制系統之圖形監控

表5冷氣控制之人機監控組件設置及格式

4結論
今日的產業機械和制程控制日趨快速、精確，而更多的操作則趨向于詳細的制程或狀態之圖形顯示。專為plc應用而設計工業級人機界面，能取代外部輸入/輸出組件及簡化程序設計，省卻了人工配線、材料及工時，此外亦能將plc接點變化、數值數據等，以多元化的文字、數字及圖形，實時顯示于lcd屏幕上，使機械操作更加自動化、人性化，不但提升了產業機械本身的功能及附加價值，也產生了精致的機械和控制文化。
作者在從事plc的教學及實習時，適當的設計了一些與基本指令及應用指令等相關的圖形監控畫面，發現不但可以提高學習的興趣，另一方面也提升了學習的成效。本文針對hitech通用型工業級人機界面(pws)及其圖形監控軟件(adp)作一系統介紹，雖然人機接口及其圖形監控軟件隨各廠牌、機種而異，但各廠牌人機接口在執行圖形監控時，規劃監控畫面所需之基本組件(objects or parts)，諸如：按鈕、開關、指示燈、數值輸入及數值顯示...等組件則大同小異。因此文中所提及之實習范例，其它廠牌或機種之plc或人機接口亦可適用，因plc程序設計及人機接口圖形監控等基本規劃理念，一般而言并無多大差異。

作者簡介
宓哲民男碩士，副教授，主要研究方向為plc、人機接口及圖形監控。

參考文獻
 [1] adp軟件使用手冊，泉毅電子股份有限公司．
 [2] 宓哲民，顏見明，劉春山，等．人機接口圖形監控(修訂五版)[m]．全華書局，2009．
 [3] 王義文，宓哲民，陳文軒，陳文耀，等．可編程控制器(plc)原理與應用實務．北京：科學出版社，2010．
 [4] m、vb、vh系列plc程序編輯手冊．豐煒科技企業有限公司，2010．