工厂自动化HMI实践案例解析

不管我们是否意识到，我们大多数人，作为日常消费者，都对人机界面（HMI）的外观和使用形成了一些自己的看法。这是因为我们经常使用智能手机、网站，甚至汽车上的控制装置，其实都会涉及到数字化的人机界面。当我们与它们互动时，我们会直观地理解什么是清楚的，什么是容易执行的，以及哪些是麻烦或困难的。

对于工厂设备和系统而言，专门的工业HMI已经存在了很多年。硬件和软件经过改进，可以提供更多的选项，但有时会选择太多，导致配置比实际需要的更复杂。另一方面，综合标准最近得到了更好的发展。但是，标准并非总是适合每个行业、系统类型或偏好，并且对于HMI必须显示的所有项目而言，它们可能不够具体。

工业系统和原始设备制造商（OEM）开发人员，需要HMI并希望它们有用，但他们可能没有时间或专职人员来创建自己的HMI标准和样式。解决此问题的最佳选择通常是简单化、清晰化，这是一种行之有效的方法，可为HMI提供最佳的态势感知和可用性。本文提供了规划和实施有效的工厂自动化HMI的基本技巧和最佳实践。

图1：HMI开发环境通常提供许多表示物理设备（例如阀门和泵）和逻辑设备（例如模拟仪表）的设计元素。本文图片来源：Automation Direct

检查可用资源

在从头开始任何设计之前，请先检查可用资源，这一点很重要。由ISA101和其它组织提供的工业文件和标准提供了HMI设计指南，但很多集中在过程工业、石化行业和核工业上。

根据所用HMI平台的不同，开发环境可能会提供标准或可选的对象库，以及用于创建新项目的其它辅助工具，这些资源值得一看。请记住，在将这些库对象作为公司标准之前，需要进行一些修改。

为新应用创建有效的工厂HMI，通常是一个反复迭代的过程，如果从适用的标准或样本入手，则可以简化该过程。定义构建块对象是一个很好的开端。

确定设计元素

每个最终用户都可能将典型的行业元素混合使用，例如阀门和泵，还有一些专用组件——所有这些都必须在HMI上显示。第一步应该是确定将重复使用的元素，并为每个元素创建一个标准设计（参见图1）。

并非所有的HMI设计元素都与物理设备相关。HMI对象，例如开始/停止按钮、开/关指示器、配方值和数据输入标签等，是HMI与控制器进行交互所必需的逻辑构造，但不一定在任何机械或电气设计文档中都有描述。

说到控制器，通常是可编程逻辑控制器（PLC），HMI的开发必须与PLC代码紧密结合。如果PLC有特殊的设备警报或其它派生值，比如电动机运行时间，那HMI必须处理这些报警。

构建故事板

故事板（storyboard）是一种映射创意过程的方法。它们通常与电影相关，但在创作小说、建筑和软件方面也可以发挥作用。在开发工厂HMI时，故事板允许设计人员预先计划所需的屏幕数量和层次结构，以便团队可以在进行重要的HMI配置工作之前审核流程。

设计师可以使用基于文本的概要、电子表格、草图或多种技术组合来创建故事板（参见图2）。无论采用哪种方法，都应具有灵活性，并允许审核团队理解并帮助做出良好的安排。

故事板应显示系统、子系统和其它详细信息是如何相互关联的，通俗来讲就是每个屏幕显示什么。这种安排在很大程度上取决于自动化的复杂程度以及必须显示的构件块对象。

一台最基本的机器可能只配置一或两个屏幕，来描绘所有运行条件并为运行人员的交互提供一些对象。更复杂的设备则具有更多的屏幕，其中一些屏幕提供详细的操作员输入值、历史数据趋势、报警/事件日志以及派生的性能和诊断信息。

一旦工厂自动化的复杂程度达到一定水平，引入HMI组织层级概念可能很有用，例如：

●1级仪表板：提供“概览”运营信息；

●2级典型控制：简化的运营屏幕，提供基本的监视和控制选项；

●3级详细控制：详细的运营屏幕，比2级提供的信息更多；

●4级特定控件：弹出窗口，非常详细的配置或诊断信息，不经常使用。

在构建故事板的过程中，切记团队成员不仅要包括程序员，还包括其它工程学科的人员，以及运营人员、维护成员和管理人员。每个成员都应根据自己的角色做出贡献。

定义HMI的风格

HMI的风格包含许多外观、感觉和功能方面的因素。当前“高性能”HMI的概念中，要求颜色最少化，对象简单化，用户所采用的必须适合其特定应用（见图3）。创建HMI样式指南时，需要注意的事项包括导航和有效性、颜色选择、数据文本定义、简单的图形和可用性。

1.导航设置。常识表明，最重要的控件通常是启动和停止命令，还有导航按钮，应始终易于使用。通常做法是在每个屏幕上为这些控件保留一定空间。

弹出窗口通常是较小的屏幕，出现在完整显示的屏幕前，可用于临时查看和输入非常具体的信息，然后将其关闭。有时，允许弹出窗口持续存在会很有帮助，例如比例-积分-微分（PID）调整面板。但是，尽管弹出窗口对不常用的详细任务有用，但它们可能会干扰正常运营，占用显示器上的空间，因此应尽量避免使用弹出窗口。

应根据需要使用密码来保护安全性，但应谨慎使用，以避免锁定系统和妨碍运营人员。在单个受密码保护的屏幕上完成机器参数的调整通常很有用。

2.谨慎使用彩色。彩色可用于背景、字体、静态元素和动画对象，但它们可能是一个备受争议的HMI主题。大多数标准建议使用浅灰色背景和灰度对象，并将彩色留给异常工况。这可以提供轻松的可见性，并向用户指示重要事件。但是，某些行业或设备可能会决定使用彩色。电力行业通常将红色用于通电（危险），将绿色用于断电（安全）。如果设备项具有三种颜色编码的子系统，那么在标题栏上应包括这些颜色，以易于识别。

另外，请避免使用仅依赖于对象的动画颜色编码。如果可能，最好提供辅助补充符号来指示状态或条件的。

3.定义文本数据。样式还扩展到使用什么字体以及文本是否大写。仅定义几种字体来涵盖必要的方案。为标题和重要内容保留较大字体或粗体字体，为细节保留较小字体。弄清楚哪些值仅用于显示，哪些值可以由运营人员输入。包括工程单位和允许范围。

4.简化图形以提升运营效率。数字HMI的主要优点之一，就是能够为用户呈现可以识别的图形图像和图标，无需阅读或减少由于语言障碍而可能造成的误解。但是，这并不意味着图形应该是详细的工程图、复杂的照片或任何动画。

相反，现代最佳实践是在可能的情况下提供简化的标志性图形。在某些有限情况下，动画可能很有用，但它会消耗处理资源，通常被认为会分散注意力。

尽管不鼓励使用位图图像，但有很多充分理由，将它们包含在工厂自动化中。例如，设计者可以将设备和部件的图像用箭头标出，以便向用户清楚地指出发生问题的位置。

5.可用性至上。研究其它有助于操作员完成工作的高级功能。不要只显示容器的当前液位，而是将液位作为趋势显示，以便操作员了解系统最近的运行情况。再进一步，将关键指示值通过迷你趋势在屏幕上显示。

类似的概念也适用于警报。对于大多数系统而言，指示当前活动警报很重要。带有日期/时间戳的详细历史警报/事件日志，可通过让用户查看问题的发展过程来帮助及时故障排除。

图3：开发并遵循HMI样式指南，设计人员可以配置直观的HMI屏幕，操作员可以轻松利用导航功能，监视和控制工厂自动化系统。

情境意识是目标

情境意识的概念是从军事理论以及最近的航空业发展而来的，但它也适用于工业工厂自动化设计。自动化系统HMI的最终目标，是提供所有相关信息，以便用户可以了解正在发生的事情，并知道需要采取哪些措施。

虽然大型工程公司或过程设施企业可能有大量资源用于开发HMI，但是，小型的企业、系统集成商和OEM厂商，可以充分利用最新的设计概念。在设计开始时，考虑上述的设计主题和经验，让关键人员参与进来，以确保创建简洁且易用的HMI体验。（作者：Bill Dehner） 
编辑：hfy