工廠自動(dòng)化HMI實(shí)踐案例解析

不管我們是否意識(shí)到，我們大多數(shù)人，作為日常消費(fèi)者，都對(duì)人機(jī)界面（HMI）的外觀和使用形成了一些自己的看法。這是因?yàn)槲覀兘?jīng)常使用智能手機(jī)、網(wǎng)站，甚至汽車上的控制裝置，其實(shí)都會(huì)涉及到數(shù)字化的人機(jī)界面。當(dāng)我們與它們互動(dòng)時(shí)，我們會(huì)直觀地理解什么是清楚的，什么是容易執(zhí)行的，以及哪些是麻煩或困難的。

對(duì)于工廠設(shè)備和系統(tǒng)而言，專門的工業(yè)HMI已經(jīng)存在了很多年。硬件和軟件經(jīng)過(guò)改進(jìn)，可以提供更多的選項(xiàng)，但有時(shí)會(huì)選擇太多，導(dǎo)致配置比實(shí)際需要的更復(fù)雜。另一方面，綜合標(biāo)準(zhǔn)最近得到了更好的發(fā)展。但是，標(biāo)準(zhǔn)并非總是適合每個(gè)行業(yè)、系統(tǒng)類型或偏好，并且對(duì)于HMI必須顯示的所有項(xiàng)目而言，它們可能不夠具體。

工業(yè)系統(tǒng)和原始設(shè)備制造商（OEM）開發(fā)人員，需要HMI并希望它們有用，但他們可能沒有時(shí)間或?qū)Ｂ毴藛T來(lái)創(chuàng)建自己的HMI標(biāo)準(zhǔn)和樣式。解決此問題的最佳選擇通常是簡(jiǎn)單化、清晰化，這是一種行之有效的方法，可為HMI提供最佳的態(tài)勢(shì)感知和可用性。本文提供了規(guī)劃和實(shí)施有效的工廠自動(dòng)化HMI的基本技巧和最佳實(shí)踐。

圖1：HMI開發(fā)環(huán)境通常提供許多表示物理設(shè)備（例如閥門和泵）和邏輯設(shè)備（例如模擬儀表）的設(shè)計(jì)元素。本文圖片來(lái)源：Automation Direct

檢查可用資源

在從頭開始任何設(shè)計(jì)之前，請(qǐng)先檢查可用資源，這一點(diǎn)很重要。由ISA101和其它組織提供的工業(yè)文件和標(biāo)準(zhǔn)提供了HMI設(shè)計(jì)指南，但很多集中在過(guò)程工業(yè)、石化行業(yè)和核工業(yè)上。

根據(jù)所用HMI平臺(tái)的不同，開發(fā)環(huán)境可能會(huì)提供標(biāo)準(zhǔn)或可選的對(duì)象庫(kù)，以及用于創(chuàng)建新項(xiàng)目的其它輔助工具，這些資源值得一看。請(qǐng)記住，在將這些庫(kù)對(duì)象作為公司標(biāo)準(zhǔn)之前，需要進(jìn)行一些修改。

為新應(yīng)用創(chuàng)建有效的工廠HMI，通常是一個(gè)反復(fù)迭代的過(guò)程，如果從適用的標(biāo)準(zhǔn)或樣本入手，則可以簡(jiǎn)化該過(guò)程。定義構(gòu)建塊對(duì)象是一個(gè)很好的開端。

確定設(shè)計(jì)元素

每個(gè)最終用戶都可能將典型的行業(yè)元素混合使用，例如閥門和泵，還有一些專用組件——所有這些都必須在HMI上顯示。第一步應(yīng)該是確定將重復(fù)使用的元素，并為每個(gè)元素創(chuàng)建一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)（參見圖1）。

并非所有的HMI設(shè)計(jì)元素都與物理設(shè)備相關(guān)。HMI對(duì)象，例如開始/停止按鈕、開/關(guān)指示器、配方值和數(shù)據(jù)輸入標(biāo)簽等，是HMI與控制器進(jìn)行交互所必需的邏輯構(gòu)造，但不一定在任何機(jī)械或電氣設(shè)計(jì)文檔中都有描述。

說(shuō)到控制器，通常是可編程邏輯控制器（PLC），HMI的開發(fā)必須與PLC代碼緊密結(jié)合。如果PLC有特殊的設(shè)備警報(bào)或其它派生值，比如電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間，那HMI必須處理這些報(bào)警。

構(gòu)建故事板

故事板（storyboard）是一種映射創(chuàng)意過(guò)程的方法。它們通常與電影相關(guān)，但在創(chuàng)作小說(shuō)、建筑和軟件方面也可以發(fā)揮作用。在開發(fā)工廠HMI時(shí)，故事板允許設(shè)計(jì)人員預(yù)先計(jì)劃所需的屏幕數(shù)量和層次結(jié)構(gòu)，以便團(tuán)隊(duì)可以在進(jìn)行重要的HMI配置工作之前審核流程。

設(shè)計(jì)師可以使用基于文本的概要、電子表格、草圖或多種技術(shù)組合來(lái)創(chuàng)建故事板（參見圖2）。無(wú)論采用哪種方法，都應(yīng)具有靈活性，并允許審核團(tuán)隊(duì)理解并幫助做出良好的安排。

故事板應(yīng)顯示系統(tǒng)、子系統(tǒng)和其它詳細(xì)信息是如何相互關(guān)聯(lián)的，通俗來(lái)講就是每個(gè)屏幕顯示什么。這種安排在很大程度上取決于自動(dòng)化的復(fù)雜程度以及必須顯示的構(gòu)件塊對(duì)象。

一臺(tái)最基本的機(jī)器可能只配置一或兩個(gè)屏幕，來(lái)描繪所有運(yùn)行條件并為運(yùn)行人員的交互提供一些對(duì)象。更復(fù)雜的設(shè)備則具有更多的屏幕，其中一些屏幕提供詳細(xì)的操作員輸入值、歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)、報(bào)警/事件日志以及派生的性能和診斷信息。

一旦工廠自動(dòng)化的復(fù)雜程度達(dá)到一定水平，引入HMI組織層級(jí)概念可能很有用，例如：

●1級(jí)儀表板：提供“概覽”運(yùn)營(yíng)信息；

●2級(jí)典型控制：簡(jiǎn)化的運(yùn)營(yíng)屏幕，提供基本的監(jiān)視和控制選項(xiàng)；

●3級(jí)詳細(xì)控制：詳細(xì)的運(yùn)營(yíng)屏幕，比2級(jí)提供的信息更多；

●4級(jí)特定控件：彈出窗口，非常詳細(xì)的配置或診斷信息，不經(jīng)常使用。

在構(gòu)建故事板的過(guò)程中，切記團(tuán)隊(duì)成員不僅要包括程序員，還包括其它工程學(xué)科的人員，以及運(yùn)營(yíng)人員、維護(hù)成員和管理人員。每個(gè)成員都應(yīng)根據(jù)自己的角色做出貢獻(xiàn)。

定義HMI的風(fēng)格

HMI的風(fēng)格包含許多外觀、感覺和功能方面的因素。當(dāng)前“高性能”HMI的概念中，要求顏色最少化，對(duì)象簡(jiǎn)單化，用戶所采用的必須適合其特定應(yīng)用（見圖3）。創(chuàng)建HMI樣式指南時(shí)，需要注意的事項(xiàng)包括導(dǎo)航和有效性、顏色選擇、數(shù)據(jù)文本定義、簡(jiǎn)單的圖形和可用性。

1.導(dǎo)航設(shè)置。常識(shí)表明，最重要的控件通常是啟動(dòng)和停止命令，還有導(dǎo)航按鈕，應(yīng)始終易于使用。通常做法是在每個(gè)屏幕上為這些控件保留一定空間。

彈出窗口通常是較小的屏幕，出現(xiàn)在完整顯示的屏幕前，可用于臨時(shí)查看和輸入非常具體的信息，然后將其關(guān)閉。有時(shí)，允許彈出窗口持續(xù)存在會(huì)很有幫助，例如比例-積分-微分（PID）調(diào)整面板。但是，盡管彈出窗口對(duì)不常用的詳細(xì)任務(wù)有用，但它們可能會(huì)干擾正常運(yùn)營(yíng)，占用顯示器上的空間，因此應(yīng)盡量避免使用彈出窗口。

應(yīng)根據(jù)需要使用密碼來(lái)保護(hù)安全性，但應(yīng)謹(jǐn)慎使用，以避免鎖定系統(tǒng)和妨礙運(yùn)營(yíng)人員。在單個(gè)受密碼保護(hù)的屏幕上完成機(jī)器參數(shù)的調(diào)整通常很有用。

2.謹(jǐn)慎使用彩色。彩色可用于背景、字體、靜態(tài)元素和動(dòng)畫對(duì)象，但它們可能是一個(gè)備受爭(zhēng)議的HMI主題。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)建議使用淺灰色背景和灰度對(duì)象，并將彩色留給異常工況。這可以提供輕松的可見性，并向用戶指示重要事件。但是，某些行業(yè)或設(shè)備可能會(huì)決定使用彩色。電力行業(yè)通常將紅色用于通電（危險(xiǎn)），將綠色用于斷電（安全）。如果設(shè)備項(xiàng)具有三種顏色編碼的子系統(tǒng)，那么在標(biāo)題欄上應(yīng)包括這些顏色，以易于識(shí)別。

另外，請(qǐng)避免使用僅依賴于對(duì)象的動(dòng)畫顏色編碼。如果可能，最好提供輔助補(bǔ)充符號(hào)來(lái)指示狀態(tài)或條件的。

3.定義文本數(shù)據(jù)。樣式還擴(kuò)展到使用什么字體以及文本是否大寫。僅定義幾種字體來(lái)涵蓋必要的方案。為標(biāo)題和重要內(nèi)容保留較大字體或粗體字體，為細(xì)節(jié)保留較小字體。弄清楚哪些值僅用于顯示，哪些值可以由運(yùn)營(yíng)人員輸入。包括工程單位和允許范圍。

4.簡(jiǎn)化圖形以提升運(yùn)營(yíng)效率。數(shù)字HMI的主要優(yōu)點(diǎn)之一，就是能夠?yàn)橛脩舫尸F(xiàn)可以識(shí)別的圖形圖像和圖標(biāo)，無(wú)需閱讀或減少由于語(yǔ)言障礙而可能造成的誤解。但是，這并不意味著圖形應(yīng)該是詳細(xì)的工程圖、復(fù)雜的照片或任何動(dòng)畫。

相反，現(xiàn)代最佳實(shí)踐是在可能的情況下提供簡(jiǎn)化的標(biāo)志性圖形。在某些有限情況下，動(dòng)畫可能很有用，但它會(huì)消耗處理資源，通常被認(rèn)為會(huì)分散注意力。

盡管不鼓勵(lì)使用位圖圖像，但有很多充分理由，將它們包含在工廠自動(dòng)化中。例如，設(shè)計(jì)者可以將設(shè)備和部件的圖像用箭頭標(biāo)出，以便向用戶清楚地指出發(fā)生問題的位置。

5.可用性至上。研究其它有助于操作員完成工作的高級(jí)功能。不要只顯示容器的當(dāng)前液位，而是將液位作為趨勢(shì)顯示，以便操作員了解系統(tǒng)最近的運(yùn)行情況。再進(jìn)一步，將關(guān)鍵指示值通過(guò)迷你趨勢(shì)在屏幕上顯示。

類似的概念也適用于警報(bào)。對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)而言，指示當(dāng)前活動(dòng)警報(bào)很重要。帶有日期/時(shí)間戳的詳細(xì)歷史警報(bào)/事件日志，可通過(guò)讓用戶查看問題的發(fā)展過(guò)程來(lái)幫助及時(shí)故障排除。

圖3：開發(fā)并遵循HMI樣式指南，設(shè)計(jì)人員可以配置直觀的HMI屏幕，操作員可以輕松利用導(dǎo)航功能，監(jiān)視和控制工廠自動(dòng)化系統(tǒng)。

情境意識(shí)是目標(biāo)

情境意識(shí)的概念是從軍事理論以及最近的航空業(yè)發(fā)展而來(lái)的，但它也適用于工業(yè)工廠自動(dòng)化設(shè)計(jì)。自動(dòng)化系統(tǒng)HMI的最終目標(biāo)，是提供所有相關(guān)信息，以便用戶可以了解正在發(fā)生的事情，并知道需要采取哪些措施。

雖然大型工程公司或過(guò)程設(shè)施企業(yè)可能有大量資源用于開發(fā)HMI，但是，小型的企業(yè)、系統(tǒng)集成商和OEM廠商，可以充分利用最新的設(shè)計(jì)概念。在設(shè)計(jì)開始時(shí)，考慮上述的設(shè)計(jì)主題和經(jīng)驗(yàn)，讓關(guān)鍵人員參與進(jìn)來(lái)，以確保創(chuàng)建簡(jiǎn)潔且易用的HMI體驗(yàn)。（作者：Bill Dehner）
編輯：hfy