工廠自動化HMI實踐案例解析

不管我們是否意識到，我們大多數(shù)人，作為日常消費者，都對人機界面（HMI）的外觀和使用形成了一些自己的看法。這是因為我們經(jīng)常使用智能手機、網(wǎng)站，甚至汽車上的控制裝置，其實都會涉及到數(shù)字化的人機界面。當(dāng)我們與它們互動時，我們會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)過改進，可以提供更多的選項，但有時會選擇太多，導(dǎo)致配置比實際需要的更復(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)并非總是適合每個行業(yè)、系統(tǒng)類型或偏好，并且對于HMI必須顯示的所有項目而言，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，但他們可能沒有時間或?qū)Ｂ毴藛T來創(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)勢感知和可用性。本文提供了規(guī)劃和實施有效的工廠自動化HMI的基本技巧和最佳實踐。

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)計元素。本文圖片來源：Automation Direct

檢查可用資源

在從頭開始任何設(shè)計之前，請先檢查可用資源，這一點很重要。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)計指南，但很多集中在過程工業(yè)、石化行業(yè)和核工業(yè)上。

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

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

確定設(shè)計元素

每個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，并為每個元素創(chuàng)建一個標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計（參見圖1）。

并非所有的HMI設(shè)計元素都與物理設(shè)備相關(guān)。HMI對象，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與控制器進行交互所必需的邏輯構(gòu)造，但不一定在任何機械或電氣設(shè)計文檔中都有描述。

說到控制器，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)備警報或其它派生值，比如電動機運行時間，那HMI必須處理這些報警。

構(gòu)建故事板

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

設(shè)計師可以使用基于文本的概要、電子表格、草圖或多種技術(shù)組合來創(chuàng)建故事板（參見圖2）。無論采用哪種方法，都應(yīng)具有靈活性，并允許審核團隊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，通俗來講就是每個屏幕顯示什么。這種安排在很大程度上取決于自動化的復(fù)雜程度以及必須顯示的構(gòu)件塊對象。

一臺最基本的機器可能只配置一或兩個屏幕，來描繪所有運行條件并為運行人員的交互提供一些對象。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、報警/事件日志以及派生的性能和診斷信息。

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

●1級儀表板：提供“概覽”運營信息；

●2級典型控制：簡化的運營屏幕，提供基本的監(jiān)視和控制選項；

●3級詳細(xì)控制：詳細(xì)的運營屏幕，比2級提供的信息更多；

●4級特定控件：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)建故事板的過程中，切記團隊成員不僅要包括程序員，還包括其它工程學(xué)科的人員，以及運營人員、維護成員和管理人員。每個成員都應(yīng)根據(jù)自己的角色做出貢獻。

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，對象簡單化，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，需要注意的事項包括導(dǎo)航和有效性、顏色選擇、數(shù)據(jù)文本定義、簡單的圖形和可用性。

1.導(dǎo)航設(shè)置。常識表明，最重要的控件通常是啟動和停止命令，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，可用于臨時查看和輸入非常具體的信息，然后將其關(guān)閉。有時，允許彈出窗口持續(xù)存在會很有幫助，例如比例-積分-微分（PID）調(diào)整面板。但是，盡管彈出窗口對不常用的詳細(xì)任務(wù)有用，但它們可能會干擾正常運營，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)需要使用密碼來保護安全性，但應(yīng)謹(jǐn)慎使用，以避免鎖定系統(tǒng)和妨礙運營人員。在單個受密碼保護的屏幕上完成機器參數(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)元素和動畫對象，但它們可能是一個備受爭議的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)備可能會決定使用彩色。電力行業(yè)通常將紅色用于通電（危險），將綠色用于斷電（安全）。如果設(shè)備項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，以易于識別。

另外，請避免使用僅依賴于對象的動畫顏色編碼。如果可能，最好提供輔助補充符號來指示狀態(tài)或條件的。

3.定義文本數(shù)據(jù)。樣式還擴展到使用什么字體以及文本是否大寫。僅定義幾種字體來涵蓋必要的方案。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，哪些值可以由運營人員輸入。包括工程單位和允許范圍。

4.簡化圖形以提升運營效率。數(shù)字HMI的主要優(yōu)點之一，就是能夠為用戶呈現(xiàn)可以識別的圖形圖像和圖標(biāo)，無需閱讀或減少由于語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)雜的照片或任何動畫。

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

盡管不鼓勵使用位圖圖像，但有很多充分理由，將它們包含在工廠自動化中。例如，設(shè)計者可以將設(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功能。不要只顯示容器的當(dāng)前液位，而是將液位作為趨勢顯示，以便操作員了解系統(tǒng)最近的運行情況。再進一步，將關(guān)鍵指示值通過迷你趨勢在屏幕上顯示。

類似的概念也適用于警報。對于大多數(shù)系統(tǒng)而言，指示當(dāng)前活動警報很重要。帶有日期/時間戳的詳細(xì)歷史警報/事件日志，可通過讓用戶查看問題的發(fā)展過程來幫助及時故障排除。

圖3：開發(fā)并遵循HMI樣式指南，設(shè)計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)視和控制工廠自動化系統(tǒng)。

情境意識是目標(biāo)

情境意識的概念是從軍事理論以及最近的航空業(yè)發(fā)展而來的，但它也適用于工業(yè)工廠自動化設(shè)計。自動化系統(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)計概念。在設(shè)計開始時，考慮上述的設(shè)計主題和經(jīng)驗，讓關(guān)鍵人員參與進來，以確保創(chuàng)建簡潔且易用的HMI體驗。（作者：Bill Dehner）
編輯：hfy