如何升级到高性能的人机界面

一个新的工业时代即将来临，随之而来的是机器学习、人工智能(AI)、虚拟现实(VR)和增强现实(AR)等创新技术的浪潮。这些前沿技术正在为企业增加价值，更重要的是，它们正在创造更安全的工作环境。制造业开始接受这种下一阶段的自动化，以改善他们的流程，升级或替换过时的控制系统和软件。对许多公司来说，这是一个创新的好机会，而不是复制他们的系统和软件。

为了利用最新技术并确保制造流程继续顺利运行，应注意人机界面(HMI)，这是操作员日常使用的工具。HMI图形用于过程控制系统的各个方面，是在正确的时间将关键数据提供给正确的人的关键。向高性能HMIs的转变将有助于提高运营商有效管理作业的能力，并增加对警报和其他异常情况的响应时间。

根据其规模和范围的不同，高性能HMI升级可能充满挑战，可能需要大量的时间和资源投资。然而，高性能hmi带来的好处远远超过前期投资。

早期的HMI设计问题

升级传统HMI的最大挑战之一是围绕现有设计和将屏幕转换为新的或不同的格式。在早期，当控制系统变得足够复杂，可以拥有实时过程控制图形时，人员的任务是开发图形(见图1)。在大多数情况下，他们使用管道和仪表图(p&id)创建图形，并提出自己的一套最佳实践，试图确定什么是“好的”。这在很大程度上是可行的。

然而，多年来，设施可能有多个人员参与创建其HMI图形，这导致了颜色和警报的不一致。图形的颜色引人注目，但往往会引起操作人员的困惑，使人很难一眼看出一个流程运行得好还是不好。此外，图形是按页组织的，就像带标签的书一样。一些页面具有可定制的下拉列表，而另一些页面具有带有图形链接的列表，需要操作员选择后退按钮来更改显示。有些设计过于简单，而另一些则非常复杂。对于不熟悉整体外观和流程的人来说，这些显示可能会让人不知所措。

在某种意义上，低性能的HMI (LP-HMI)图形被建立起来，许多图形至今仍在使用。设计不佳的HMIs，以及配置不佳的过程警报，经常被认为是导致重大工业事故的重要原因。

HMI标准化

预先建立图形标准是克服这些设计问题的关键。他们帮助指导整个流程和公司的整体愿景。今天的高性能HMI软件采用多层方法。它的标准指导方针是为了优化最终用户体验，并鼓励创建图形层次结构来帮助建立合理的图形流程。使用高性能的HMI，信息(数据)以一种不存在条件是好是坏的问题的方式呈现。操作人员可以使用多层层次显示来快速导航到屏幕或向下钻取到更详细的显示。仪表板包含一个带有按钮或链接的概述，这些按钮或链接可以打开图形，以了解设施中特定区域的更多细节。

运营商购买高性能hmi

在实施高性能HMI升级之前，获得运营商的支持是至关重要的。当试图实现任何不是来自现有布局或管道和仪表图(p&id)的东西时，真正的阻力就来了。运营商对他们的传统图形感到满意，并倾向于遵循旧的思维模式:“让它看起来和屏幕上的完全一样。”他们熟悉老式的绘图布局挑战。

对变革的抵制是可以理解的。对于许多设施来说，操作员和工程师已经在如何从菜单或警报驱动传统HMI屏幕上投入了大量时间。他们希望任何新屏幕都能符合同样的方案。一些设施还具有广泛的数据库驱动布局和对象位置，这意味着将两者结合起来并不总是那么容易。

克服变化始于适当的前期计划、准备和培训。在开始全面设计屏幕之前，理解过程以及图形和对象的工作方式是关键。花时间培训人员，慢慢开始用测试可编程逻辑控制器(PLC)代码模拟一些小屏幕和设备。这个过程应该是基本的和快速的。

制造商可以利用高性能的hmi来开发屏幕组，识别需要显示通用设备的常见场景，并根据各种情况确定警报将如何交互。通过前期测试和培训，操作人员可以直接了解HP-HMI软件的多级导航功能如何帮助快速、更可靠地优化和改进流程，并降低安全风险。最后，从一开始就让运营商参与进来，并获得他们的意见，使他们成为流程的一部分，降低对变化的阻力。

态势感知

在计划和实现高性能HMI时，记住几个关键点是很重要的，而且可能是成功与失败的区别。工作人员经常与以下问题作斗争:

• 屏幕太多
• 输入/输出(I/O)过载
• 大量的警报。

还要注意，流程控制级别的HMI图形旨在具有控制面板的外观和感觉。操作人员应该将图形视为操作流程的手段，并提供监控他们所控制的内容的能力。

HMI故事板

训练有素的协调员应该带领关键工程师和操作员进行故事板会议，这是一个帮助定义、开发和组织新型高性能HMI图形布局和层次结构的可视化表示的设计过程。图形之间的导航必须是直观和本能的(见图2)。这往往是一个多步骤的过程，对于制造工厂的典型操作控制台来说需要几天时间。一旦开发了故事板，整个过程将有助于确定所需图形的类型和数量。它还减少了显示器上多余的信息和图形。这是一个让关键人员参与进来并听取他们意见的好机会。

其他HMI工具和注意事项

其他需要考虑的工具和问题包括告警管理、可视化工具和只读远程访问。

报警管理。HMI软件和告警管理齐头并进。警报管理的标准和重要性激发了HMI软件的改进。已经制定了报警管理标准(例如ANSI/ISA-18.2)，以解决骚扰报警、报警泛滥、报警容错、停滞报警等问题。糟糕的报警系统和根本没有报警系统一样糟糕。

供应商提供的数据历史记录工具现在可以配置为在工具中包含警报。在过程控制网络之外使用告警管理软件，可以将告警监控职责分散到不直接在过程控制区域工作的人员。对于涉及非流程关键细节的告警，通知可以帮助操作员集中关注流程和更关键的告警。

可视化工具。由于设施决策者分布在各个部门，因此访问过程控制HMI图形需要额外的过程控制终端。然而，在过程域之外使用这些终端并不是一种安全或有效的做法。相反，使用过程数据历史记录实时捕获和记录过程控制数据，允许在过程控制网络之外共享和可视化此信息。

许多供应商，如Rockwell Automation、OSIsoft、Wonderware和AspenTech现在都提供了打包在其数据历史记录中的可视化工具。这些可视化工具允许大多数与高性能HMI图形工具相同的功能，使决策者可以使用它们。有些可视化工具甚至更复杂，并提供更强大的功能。事实上，一些可用的可视化工具使用HTML5，它允许图形的可伸缩性，使它们可以在任何设备上使用。能够使用过程控制数据实时创建HMI图形，可以提高整个组织的可见性。

只读远程访问。许多供应商还提供工具集，可用于创建图形显示，这些图形显示几乎是过程控制系统HMI图形的精确副本。这使得过程控制网络之外的决策者能够实时看到操作员正在监控和看到的内容。从本质上讲，这将以“只读”格式将流程控制图形扩展到组织中任何人的台式机或笔记本电脑，而不必担心流程受到任何方式的影响。这种只读视图还可以确保使用可视化工具监视流程的任何人始终拥有图形的正确版本。

目前，只要有适当的证书和联网设备，决策者就可以通过手持设备在几乎任何地方查看过程控制图形和数据。例如，当新产品、批次或工艺引入生产车间时，研发设施现在能够使用和监控工艺控制网络之外的图形。多年来，要让研发部门参与到新创业公司中，就必须亲自前往实际地点，这大大增加了开发过程的成本。

消除改变或控制过程的危险可以消除过程控制系统中意外或故意操作的所有威胁。对复制的图形应用适当的安全性后，远程人员将无法对图形文件进行更改。

开始

对于任何高性能HMI或整体系统和软件升级项目，制造商必须权衡其战略投资选择并尽早计划，以避免产生巨大的成本。硬件和软件升级项目需要全面的视角和仔细的前期规划，将长期成本、维护和维持服务作为整体战略的一部分。在开始之前，考虑以下几点:

• 根据自动化和过程控制硬件和软件确定设备的位置。了解设施当前的能力是未来规划的关键。可能在某些情况下，当前的流程能力是足够的，但不是将来的证明。
• 必须仔细考虑硬件是否与当前的过程控制软件和更新后的软件兼容。硬件必须足够灵活，以支持未来的软件升级。在某些情况下，HMI软件可能包含需要对过程控制系统图形进行重大更新的改进和功能。对于HMI图形从未更新到高性能HMI的设施，控制系统升级项目是实施软件的好时机，在早期规划阶段识别任何潜在的系统兼容性问题。
• 自动化投资不是一次性的事情。过程控制系统中使用的硬件可能并将发生故障，必须更换。新设备可能太先进了，不能仅仅安装在旧设备上。制定计划或进度表来不断改进过程控制硬件和软件，以尽可能保持最新状态，这将防止潜在的重大问题，使成本处于控制之下。
• 不要等待。公司等待升级过程控制系统硬件和软件的时间越长，项目就会更加复杂和昂贵。今天的硬件和软件不断改进和变化，并没有显示出任何放缓的迹象。仔细选择方向和供应商，以满足设施的即时需求，并保持向后兼容性。高性能HMI升级项目可能很复杂，需要花费大量的时间和资源来设计和开发。
• 除了向最接近流程的人员求助外，还可以向硬件和软件供应商求助，以协助定义项目。对于缺乏可用资源来实施这类项目的企业，可以考虑咨询公正的第三方自动化解决方案提供商，无论使用哪种过程控制系统或软件，他们都专注于设计、开发、构建、实施和维护系统和高性能fHMI图形。

本文刊登在《应用自动化》杂志的增刊上控制工程而且设备工程．

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