機台人機介面設計考量點探討
曹永誠
[刊登於電機月刊第166期 (2004年10月)]
前 言
人機介面對於機台設備而言是不可或缺並且影響觀感深遠的部份，但是在機台設備廠商的機台開發專案進行階段，往往被認定為比較不重要的工作，這或許是由於專案經理總認為人機介面程式設計的技術比較容易使然。其實人機介面所需的功能很多，程式碼又很難清楚分割成多人合作同時進行的方式，因此開發上工作負荷很高。而人機介面又是機台對外的「窗口」，任何內部「高深」技術與繁複的機能都得靠它表現出來，因此雖然要達到基本要求並不困難，但是優劣與品質就會差異很大，進而影響客戶對於整機的印象與評價。本文就PC-Base控制器，CRT/LCD的圖型人機介面，以鍵盤、滑鼠與少量外部按鈕組成的人機介面進行探討，說明人機介面在機台開發階段的設計考量點與過去的經驗所歸納的原則，希能拋磚引玉並提供各位先進參考。設計的基本原則
機台設備人機介面是操作者與機器設備（或電腦）之間溝通的介面軟體。操作者透過人機介面來操控機台設備，讓機台生產產品作有效產出。因此機台操作人員不管是負責生產的線上作業員、或是負責製程的製程工程師、或是負責機台維護的設備工程師，他們的重點都在於如何透過機台生產良率高的產品，這才是終極目標（fundamental objective）。而人機介面只是達到終極目標的手段目標（mean objective），也是為這部機台設備所量身定做的系統。因此機台設備人機介面的設計基本原則在於：提供操作性佳的高效率操作介面、簡單與直覺的操作無需長時間的教育訓練、適當的資訊量幫助使用者操作與決策、降低出錯可能性的防呆機制降低損失的機率。以下針對這些原則說明之。(1). 操作效率與操作性原則：一般來說，機台設備的操作區分為生產操作與非生產操作。所謂生產操作就是關於機台全自動運轉生產產品的相關操作，這類操作通常會佔用到機台生產運轉時間，而機台的生產運轉時間是很寶貴的，因此如何讓這段時間都能儘量使用在實際生產上而不是繁複的按鍵與操控上，這將是人機介面設計考量的重點。例如進料時的配方與參數設定，由於機台此時是等待操作者設定然後才可以開始運轉，因此設定時間的長短就會佔用到機台寶貴的生產運轉時間，當製程時間很短或所需設定參數很多時（ex. CCD視覺教點），操作所佔的比重就會提高，使得機台效率大幅下降。另外，人機介面的操作性也會影響操作效率與出錯的機率，良好的操作手順不但可以提高效率並可降低出錯的可能性。例如「X-Y-Z軸平臺移動功能」在好幾個畫面與操作中都會用到，若依照模組化與正規化的觀點，最好採獨立模組獨立畫面（ex. X-Y-Z平臺操作畫面），可是有些操作流程與畫面只會用到部份功能而這些操作又是屬於生產操作類，例如視覺教點（ex. 移動X-Y平臺微調）、切割設定（ex. 進料時移動Y軸設定機台）或是故障排除（ex. Z軸上移並退出工件），如果讓使用者在這些操作流程與畫面中，得頻頻切換畫面以移動X-Y-Z軸不但不便也浪費操作時間。但是如果將X-Y-Z平臺移動畫面（Panel）放到上述畫面中（MDI或是plug-in），雖然以程式設計的觀點來看模組化程度高而且程式碼不重複，但是卻不是好的人機介面的解決方案。因為好的程式架構不代表是好的人機介面，畢竟手段目標是不能違背終極目標的。X-Y-Z平臺移動畫面因為三軸齊備而且功能完整，因此所需畫面面積必然較大，勢必會排擠上述畫面的空間；而且功能超過所需並不會提高任何效率，只會增加出錯的可能性。以二害相權取其輕的原則，建議犧牲模組化與重用性為上述畫面重寫剛好適用功能的程式碼。例如在切割設定畫面中加入移動Y軸的操作功能，提供該操作流程與畫面中所需的必要功能。雖然這種設計以程式設計角度來看似乎不佳，而且程式碼雷同卻分屬二處也違背模組化原則。但是設法儘量提高系統整體效率與操作性才是人機介面設計考量時的大原則，在不違背大原則之下才該致力程式模組化與最佳化。
(2). 簡單與直覺原則：機台設備的操作者不管是線上作業員、製程工程師、設備工程師，他們所需負責的機種數量不少而且工作的內容項目繁多，因此過於複雜的人機介面操作所需要的教育訓練時間必然很長、而成本勢必高昂，若再加上人員的離職或調職等流動，以及輪班制大夜所需負責的機種較多，這個問題必然更嚴重。而且機台設備重點在於生產良率高的產品，花俏的畫面只會讓視覺混淆，不必要的功能只會讓系統操作起來更複雜，進而增加所需的教育訓練時間與成本，對於有效產出並無幫助。建議人機介面的畫面擺設（Layout）要有一致性，功能夠用就好，配色要簡單，純色且色彩種類不要太多，每種色彩代表的意義要有一致性，例如紅色是警示或是有危害性功能，而綠色是作業員Run貨功能。總之，重點在於操作流程要簡單、直接與直覺，畫面要清晰易辨視，儘量採用圖示、按步就班的輔助操作精靈（Wizard）以及相關文件的線上查詢等方式，力求簡化操作流程與畫面。
(3). 適當的資訊量原則：由於機台設備是擺在工廠廠房，操作人員操作時姿勢多半採立姿，外加照明、噪音、粉塵等因素，絕對不利於閱讀與細膩的操作，因此機台提供給操作者參考的資訊要適量、適時、字型大小適當、配色清晰易辨識。過少的資訊量固然會造成使用者判斷參考不足，但是過多的資訊量也會讓使用者浪費過多的時間閱讀，或是厭煩閱讀而省略不看。適時的顯示適當的資訊量，以適合閱讀的字型大小與清晰易辨識的色彩顯示是很基本的設計要求。額外或備而不用的資訊則建議放到另外一個畫面，讓操作者有需要時點選切換畫面閱讀，或者是放到log檔或database，於特殊狀況需要查詢與閱讀時調出使用，或是提供匯出功能離線閱讀。
(4). 降低出錯可能性的原則：機台設備的操作與文書處理或是辦公室應用程式最大的不同點，在於機台一但操作錯誤往往會有立即性的危險，例如配方（Recipe）選錯會生產錯誤而造成損失；或是操作失誤會造成機台撞機甚至危害到人員安全。因此機台設備人機介面在設計上要有降低出錯機率的機制，大致來說分為三類：避免操作混淆、防呆機制、操作記錄。所謂操作混淆主要是由於操作流程定義不明確，或是畫面功能按鍵的文字/圖樣意義晦闇難懂，或是因為配色混雜匆忙間不易辨識等等所造成的操作錯誤。避免這類錯誤並不難，主要在於配色要力求清晰易看，操作流程要明確，功能定義與按鍵文字說明/圖樣要清楚，流程與色調要有一致性，以降低現場作業時人員因匆忙、疲累、閃神或環境因素所造成的不必要出錯機率。其次人機介面要具備基本的防呆機制，最基礎的方案是操作與輸入要有檢查機制以避免錯誤，而且儘量不要使用popup windows confirm，因為根據經驗大部分的人對於這類確認性視窗多半不會特別注意，往往直接按下Enter鍵或是盲目的點選確認。比較推薦的方式是採用檢查碼（ex. Checksum、CRC Code）防呆，例如Lot ID編碼法則不是只有流水號或是產品別+流水號等方式，最好能安插檢查碼以提供系統確認覆查。而且就算是採用Barcode輸入也有機會因為髒汙而需要手動鍵入，因此檢查碼也是必備的。而Recipe ID部份由於錯誤所造成的損失不少，建議也不要單純只使用流水號編碼，建議安插檢查碼或是建立與Lot ID之間的關連以防呆覆查。當然如果可以採用自動化輸入的裝置（ex. Barcode reader、RFID）或是直接與CIM連線自動設定，那麼出錯的機率就可以更少了。此外基於人員保護的安全性部分更要小心處理，例如閥的開關等直接I/O操作或是Robot移動等最好能檢查相關感測器（Sensor）以確認安全。最後建議機台人機介面系統要做全面性的操作記錄，紀錄操作人員的所有操作流程與系統運作狀態。這或許得花費少許的儲存空間（Hard Space）與處理器負載（CPU Load），但是一方面可以讓操作人員更加用心與注意來操作機台以降低出錯的可能性，一方面可以提供問題追蹤與責任追究使用。
客觀因素的考量
機台設備人機介面設計時要優先考量機台商業運轉時的操作環境、操作人員與操作時機等客觀因素，盡可能在這些限制條件下做最佳化考量。系統設計之初要先探討：那些人需要操作人機介面（Who）、在什麼操作環境與姿勢（Where）、何時操作（When）、操作什麼功能（for what）、人機的CRT/LCD擺設位置（View）……等等列舉這些客觀因素之後才能因應設計。一般來說，機台設備的工作環境往往都很惡劣，粉塵多、溫度高、溼氣重之外，操作員操作時的姿勢也是問題，因為操作時的姿勢往往是站立、手提工件（ex. 晶舟）、身穿無塵衣戴手套（ex. Clean Room），而且光線與視角也不一定很適當。因此除了過去的經驗之外，參觀工廠與模擬操作人員動作也是設計的好方法。以PC-Base控制器來說，人機畫面多半採用CRT/LCD並且固定在機台的最前方，因此畫面的色調除了要考慮前述客觀因素之外，最好也能與機台板金顏色以及螢幕的固定支架配合。如果是採用LCD，由於視角問題，固定位置要配合操作人員的身高與操作姿勢，而且支架建議有角度調整機構。如果選擇使用滑鼠操作，得考慮滑鼠是否會掉到地上，環境是否很髒，因為粉塵對於滑鼠是大殺手，或是改用軌跡球操作。如果使用觸控式螢幕（Touch Screen），由於觸控式螢幕並無右鍵與中間鍵的設計，而且double-click也不是很方便使用，因此畫面設計要配合修正。由於手指的大小有其最小面積，因此按鍵（button）尺寸不宜過小，而且menu或是toolbar最好不要使用，因為在觸控螢幕很難操控。此外還得考量操作人員是否戴手套，雖然手套很薄但是對於操作的靈敏度還是有影響的。此外機台設備人機介面的設計也不宜閉門造車，如果該機種已經有市售機台時，最好也能納入參考。一方面他山之玉可以攻錯，一方面也可以降低客戶的教育訓練成本。因為國內的生產製造廠對於同一製程機台常會向多個設備廠商訂購機台，因此作業員往往得同時面對同樣製程但卻是不同廠商與型號的機台，如果操作流程與畫面差異過大，不但會增加教育訓練成本，也會增加操作出錯的機率。除非是市場先驅者，或是該製程並無其他競爭者，或是佔有率很高的市場領導者，否則參考（非抄襲）市售機種的操作模式，分析其優點改進其缺點，提供更好的功能與美化的畫面，但保持類似的操作概念而不是全盤抄襲違反智慧財產權，或許是比較好的方式。另外如果該產業或製程已有相關的標準，建議能遵循標準設計。以半導體機台設備來說，SEMI協會已有訂定人機介面的標準E95-0200[1]，因此如果所開發的機台為半導體FAB廠或是TFT廠，建議參考設計。
設計的考量點
對於機台人機介面設計的畫面擺設來說，操作畫面原則上是越簡單越好，並且以必要性為原則。在操作流程中的必要資訊要能一目了然，也就是每一個操作步驟使用者所需資訊都能在同個畫面獲得，不用換頁也不用拉捲軸捲頁就可以清楚的看到所有所需資訊。畫面中的選項與資料項目要排列整齊，排列的考量是以提高操作效率為首要目標，而不是依照項目的完整性或是程式物件功能。或許需要顯示的資訊項目很多，但是由於恰當的資料量是操作效率的基礎，因此得事先區分出必要資訊與參考用資訊。凡是必要性資訊要能顯示在一個畫面中不管項目的多寡與字數；其他參考用資料則可放在其他畫面讓操作者真正需要時才去點選，或是放到畫面外當需要查看時才透過捲軸捲動查看。例如採用Table/Grid顯示時，欄位的前後次序要依重要性排列，必要的資料欄位建議放置在左方，而且除非必要的欄位過多或是字數過長，否則儘量調整畫面讓必要資料欄位內容可以不需要拉動捲軸就可以全部看到；而欄位寬度要剛好顯示所有必要資訊，其他資訊才可以透過拉動捲軸方式查看。另外Table/Grid所顯示的資料筆數也是一樣，表格長度要足夠容納所有必要的資訊筆數，而且如果最後一筆資料是最新也是最需要操作者閱讀的話，那麼內定的顯示指標就應該放在這列上，並且採用顏色標註。對於畫面配色來說，配色要簡單容易辨識且有一致性，艷麗與繁複的配色容易造成操作者目力的負擔，也容易混淆資訊讀取，基本上並不恰當。純色色調加上適當顏色強調重點資料，警示文字則固定用紅色與顯眼字型尺寸顯示在顯眼地方，如此設計對於機台人機介面來說已經足夠了。一般來說，人機介面依照操作時機大致區分為：進/出料、故障排除、系統與生管功能等三大類，每類的操作者、功能與考量點都不盡相同，建議依照各類的特性特殊考量以設計該類操作流程與畫面，如此才能因應需求產出最佳設計。以下針對這三類說明之：
(1). 進/出料：功能大致上為現場作業員提著工件到機台進料，或是機台加工/製程結束之後將工件取出的出料作業。在進/出料作業中，作業員操作人機介面的時間很短，而且操作動作只是進/出料一系列動作中的一個步驟。在操作人機介面動作之前，作業員的視線注視點與思考邏輯並不是在人機介面上；只有當作業員要開始透過人機介面操作機台進/出料時，視線才會轉移到螢幕，而腦中的思緒也才會聚焦到按鍵或滑鼠上；當進/出料人機介面操作完成之後，作業員的注意力又得離開人機介面以進行下一個步驟。因此人機介面中進/出料功能的設計要點在於如何提高作業員操作機台的效率，包括按鍵的次數、操作的複雜度與防呆機制。一般來說，進/出料畫面通常為主畫面或是自動運轉畫面。以出料來說，最簡單的動作是作業員直接將工件移出而不用做任何操作；或是將安全門打開（機台會自動停止）再將工件移出，然後在人機介面中按下「繼續」鍵（讓機台繼續運轉）；或是作業員使用人機介面選擇要出貨的Lot ID，機台自動將被選取的物料退出讓作業員提走。不管如何，這些動作都很單純，因此建議將出料所需按鍵改成外部按鈕（push button），並安置於適當位置，讓出料動作順手以提高操作效率。以進料來說，操作流程會比較複雜而且隨著機台種類不同差異較大。有些機台設計直接將物料放入就可以開始運轉製程；或是放入物料之後按「開始」按鈕（push button）開啟自動運轉；有些則較複雜，放入物料然後輸入Lot ID，再設定Recipe ID，然後按「開始」鍵（button）運轉機台。這一系列動作中以Recipe ID選定影響最大，因為一旦選定錯誤就會造成損失，建議儘量不要採用手動輸入方式，因為不管是鍵盤Key-in Recipe ID或是滑鼠選單選擇都有錯誤的可能性。最好採用自動化設定，例如工單上有Recipe ID Barcode，作業員只要操作Barcode reader直接讀入設定；或是工單上有Lot ID Barcode，透過CIM/MIS Adapter電腦讀入Lot ID，再透過MES/CIM伺服器回傳Recipe ID並透過網路連線（ex. SECS、HSMS）直接設定機台。如果因為客觀因素無法自動設定，建議在Recipe ID加入檢查碼或是設定Lot ID與Recipe ID之間的關連性，盡可能的防呆避免不必要的人為疏失。總之，進/出料的操作流程與畫面都要力求簡單，並在防呆的大原則之下設計簡便的手順，提高整機的操作效率。
(2). 故障排除：對於機台的可能故障項目要先預做分析，利用FMEA（Failure Mode and Effects Analysis、失效模式與效應分析）找出可能故障項目、感測器偵測條件與排除步驟；或是分析機構動作程序中順序控制的每一個步驟，找出Timeout的原因與排除程序；或是SPC診斷製程參數並且分類可能的故障種類。歸納所有可能的故障項目，然後依照排除與回復特性區分為可線上排除與必須停機檢修二大類。可線上排除類故障大致上為卡料等作業員可以排除的警示；而必須停機檢修類故障大部份為機件故障等得由設備工程師或是原廠工程師維修。對於可線上排除類故障建議歸納與整理，將排除程序雷同的項目合併，並為其設計一組專用排除程序與畫面，指引作業員依照圖示/說明步驟一步步的排除故障回復系統運作，所有相關的操作（ex. 移開Y軸）最好都能設計在同一畫面，而不需要為了某些操作切換畫面（ex. 切換到X-Y平臺單動操作畫面）以降低排除操作的困難度。有時只是一個物料卡料，但卻會引發數個感測器發覺異常而各自發出錯誤警示，因此發出的故障訊息筆數過多而造成人員混淆（ex. 只有某個物件卡料但是卻顯示十幾條訊息警示十幾種錯誤），這種狀況應該儘量避免。最佳的故障警示與排除的人機介面範例應該是新型影印機，當影印機卡紙時不但圖示卡紙位置，還用圖型解說如何排除與步驟。對於機台來說，雖然故障種類過多而且有時判別不易，但是還是要儘量做到如同新型影印機一樣的水準。總之，故障警示與排除畫面要簡單與清晰，訊息顯示要適量，字體與顏色要易讀，過少的訊息會讓作業員無從判斷與排除（ex. 只顯示Alarm ID），但是過多的訊息也會讓人不知所措（ex. 將系統內部參數、外部物理量等全部顯示）。警示訊息的顯示可以採用Grid或是Table方式，但是若是警示訊息是累加上去的，最好能自動捲到最新的那筆資料，並且用顏色標明。警示訊息不要只有Alarm ID，最好詳述日期/時間、等級、位置、故障原因以及排除步驟，如果能有對應的圖示與導引精靈（Wizard），指引作業員一步步排除與回復的話，這是最佳的設計。此外，故障警示與排除畫面不管是警示訊息或是指引說明，單筆資料文字長度不要超過畫面，也就是說不用操作滑鼠或鍵盤捲動就可以讀完所需訊息。若真的不得已無法在畫面內顯示所有的字，建議把必讀與重要的文字放前面，並且調整視窗與字型大小（字型不可過小，在工廠現場的操作條件下要能輕鬆閱讀是基本條件），讓作業員不用捲動也可以讀完必要訊息，其他龐大的額外參考資訊則等待操作者點選之後切換顯示。
至於必須停機檢修類故障，因為無法單靠作業員徒手或是簡易操作排除與回復，大部份屬於機件故障得靠設備工程師或原廠更換組件維修，因此建議統一設計一組標準畫面，提供較多的相關訊息。這組畫面並不需要採用圖示與導引精靈，但是要將所有可能的參數、物理量、感測器值與相關文件放入畫面中。最後，對於機台所有的故障與排除，人機介面都要將過程詳實記錄（ex. log file or database），並且統計與報表以提供檢修與改善參考。有時會發生多個故障同時發生待排除的狀況，建議處理方案是對故障項目依重要性分等級，同一等級的必須依序排除，高等級的則可以插隊處理。例如卡料與掉料同時發生，或是卡料發生未排除前很短時間內另一模組發生掉料，則作業員必須依步驟先處理卡料，等排除之後系統才會發出掉料故障要求作業員排除，因為卡料與掉料屬於同等級。但是如果此時發生緊急停止按鈕（Emergency Stop）被啟動，因為等級較高就得插隊處理。這方面的處理流程較複雜，留待後文討論。
(3). 系統與生管功能：系統與生管功能因為是提供設備與製程工程師設定系統（ex. 使用者帳號權限）、編輯與測試Recipe、調機教點、生管統計、異常追蹤等使用，因此考量點比較寬鬆，可以自由發揮創意開發系統。但是由於客觀條件與前述相同，因此基本考量還是必要的，例如因為操作者採立姿，長時間的操作容易疲累，因此最好設計比較簡易與快速的操作流程，而且提供匯出資料方式，讓工程師在辦公室離線分析使用，或是網路連線提供遠端查詢與分析。這些功能雖然因應機台的不同而有差異，但是使用者並不會只因為美學或是主觀上的喜惡而任意要求更改，因此建議趁機台開發間的閒置時間或閒置人力開發模組，然後在機種開發時修改與客製化使用。如此可以重用部份程式碼以減少人機介面程式開發時程，提昇程式品質，並解決人機介面因為功能繁多且系統龐大卻又缺乏分割，所導致無法分工合作或是透過新增人力以加快機台開發專案進行的問題。
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