信息系统:人机界面的演变

从按钮到个人电脑，从文本到图形，从CRT到LCD，所谓的“可视化”的形态和作用在短短几年里发生了巨大的变化。从自动化孤岛到复杂的控制和分析，反映了前所未有的增长，而这一过程远未结束。

通过珍妮Katzel 2012年10月1日

一开始是按钮，和按钮一起的是灯和开关。然后硬连线设备出现了，变成了电子面板，集成电路出现了。个人电脑和软件程序诞生了，并占领了显示器领域，互联网为信息无处不在的传播铺平了道路。专有系统变得“开放”，操作员显示器从一台机器变成了多台机器，在一个工厂内，在世界各地。

进化是真实存在的——至少在人机界面(HMI)方面是如此。一开始只是一个简单的专用功能，在短短几十年里已经发展和发生了不可估量的变化，很可能成为当今制造业环境中最大的影响力。英维思HMI监管产品管理总监John Krajewski表示，由于带宽和可访问性的爆炸式增长，HMI系统可以互连数百万条数据。“在过去，hmi是孤立的，只做基本的机器控制。现在，协作系统释放了连接和访问的新力量。”

从历史上看，工业界一直试图监控和了解其流程和操作。从开/关设备到复杂、精密的监控和分析系统，这是一段戏剧性而非凡的旅程。下面是从按钮到MMI(人机界面)到HMI再到可视化的过程，它如何塑造了工业过程，以及它如何继续影响制造业世界。

回到过去……

倍加富(Pepperl+Fuchs)业务发展经理路易斯•绍博(Louis Szabo)回忆说，最初是按钮和灯、表盘和仪表盘，以及先发报警器。“甚至直到1990年，许多工厂还认为按钮是比人机界面面板更经济的选择。”

罗克韦尔自动化电子操作界面业务经理Marco H. Wishart补充说，但当制造商可以选择用电子终端取代这些按钮时，每个按钮的安装价格约为100美元，“按钮变得非常昂贵，而终端则变得更加高效。”

PcVue北美总经理Emmanuel Ecochard表示:“我们确实看到了一种演变。“也许不是范式的转变，而是持续的增量改进。30年前的系统是硬连线的，不太灵活。现在的产品可以让你快速地构建几乎任何应用程序，并轻松地维护它。”

回忆还在继续:倍福自动化公司的技术支持经理Nathan Eisel补充说，在早期，CRT(阴极射线管)的单色屏幕和基本的基于文本的显示器占主导地位。“交互是通过机械按钮、键盘或鼠标进行的。”

InduSoft负责业务发展的副总裁马西娅·加德布伊斯(Marcia Gadbois)说，操作终端最初是作为机器的附加组件。“它们增强了操作并提供了控制，但这些早期设备中的命令都是字面意思，系统对用户并不友好。这是一个基于文本的环境，必须通过编程才能获得任何类型的可视化。”

然后PC的诞生颠覆了人机界面的世界。焦点从硬件转移到软件，一个设备变成了一个系统，HMI的工作开始增长，并且呈指数级增长。Szabo说:“HMI系统最初是在专有设备上运行的。“然后互操作性成了流行词。但在20世纪90年代末，当Wonderware和Intellution等公司为PC推出控制软件时，游戏规则发生了重大改变。”“20世纪90年代末，新硬件(lcd代替crt，本质安全的触摸屏)也出现了，但现在制造商谈论人机界面时，他们谈论的是软件。这就是变化真正开始的时间和地点。”

20世纪90年代还见证了开放体系的诞生和发展。最近，瘦客户端出现了，首先是在业务系统中，然后是在制造过程中，因为制造业开始使用plc和DCS技术，控制室开始迁移到工厂车间。罗克韦尔自动化公司(Rockwell Automation)可视化软件业务经理Scott a . Miller表示:“从历史上看，人机界面设备是向下看机器，并显示有关机器的信息，但很快它就开始向下看、向上看、收集和使用信息，以帮助更好地工作，并完成以前从未做过的事情。”

建造桥梁，打破壁垒

显然，许多发展影响了HMI的发展:处理器功能、以太网和Internet。哪些影响最大?它们给制造业带来的变化意味着什么?首先，他们允许HMI密切参与工厂的运营。最先进的HMI系统从多个来源访问数据，并延伸到远程空间。运营商可以做出更明智的决定。

在硬件方面，从硬线设备到电子终端的转变为高级功能奠定了基础。罗克韦尔自动化公司的Wishart说:“这些变化是渐进的，但却是必不可少的。“它们把我们从crt带到了lcd，带到了LED背光屏幕，还改变了纵横比。处理器的快速发展也让HMI设备可以做更多的事情。”

在P+F的萨博看来，最大的区别在于微软Windows和以太网之间的取舍。“这两种技术都帮助HMI系统能够灵活地去几乎任何地方，做几乎任何事情。由于互联互通，信息可以实时获取。”

InduSoft的Gadbois指出，连接性和开放系统是增强人机界面及其操作员能力的要素，但用户界面的改进也值得注意。“因为互联互通，墙被打破了。我们不再是自动化孤岛，而是转向分布式环境，让更多人参与决策过程，”她说。“使用HMI根据大量可用数据做出业务决策，并为运营提供具有成本效益的解决方案，正在改变我们的工作方式。过去特定于一台机器的信息。现在，操作员对利润产生了真正的影响，因为HMI系统向他们展示了一幅完整的画面，而不仅仅是一台机器。”

总之，这些变化产生了一个重大影响:它们把指挥中心移到了核电站的围墙之外。PcVue的Ecochard说:“越来越多的终端用户要求具有远程访问功能。“移动性和远程访问现在非常重要，但这些功能也引发了担忧。你的流动性越强，就越容易受到攻击。随着移动应用的发展，安全性必须得到加强。”

罗克韦尔自动化公司的Scott Miller和他的同事Mike Burrows(罗克韦尔自动化公司市场开发、集成架构总监)很快就同意了这一观点。“安全是一个大问题，带宽也是，”Burrows说。“随着业界努力让视频和无线等各种技术协同工作，层层防御是必要的。”

米勒补充说，移动设备正在增强现有的功能。“许多机构都在向智能手机推送数据，这将对安全构成挑战。操作员使用移动终端在车间走动是有道理的，但商场的经理需要确保他不会因为按错按钮而错误地停止生产线。”

那么，HMI到底是什么呢?

那么，智能手机变成了人机界面了吗?加德布瓦认为，在某些方面的确如此。“我们正在改变术语，并将HMI功能称为‘可视化’。每个界面都不只是一个人机界面。这就是可视化。“人机交互”一词可能会消失;也许可视化会取代它，但它的目的和功能仍然存在。”

术语正在发生变化。在过去的15年里，技术的融合导致了一系列现在被许多人称为“可视化”的功能和能力。“我们几乎再也不用‘人机界面’这个词了，”Wishart说。“这就是可视化:软件和硬件在多台设备上运行。无论是在专用面板、PC服务器、智能手机还是其他设备上，都涉及相同的系统、数据和集成。它的核心仍然是一个HMI，尽管随着它的发展，它将采取不同的形式。”

罗克韦尔自动化公司的米勒称可视化为混合点。然而，他补充说，不同的行业、应用程序和客户如何进行混合是不同的。“将会扩散的是能力的应用方式。先进的可视化系统将访问信息并将正确的内容交付给正确的人。无论操作人员是整天、每天都在装瓶机前，在工厂周围走动，还是从一个工厂到另一个工厂，他使用的信息都来自控制系统和信息系统。我们将这些系统融合得越多，就越能更好地服务于多种应用程序。这就是人机交互技术的发展方向。”

英维思的Krajewski补充说，人机界面的定义显然已经拓宽了。他补充说:“这项技术可能会发展到‘人机界面’这个词甚至都不适用的地步。”“应用程序是集成的。HMI很少是操作人员使用的唯一机制。几年前，HMI可能只与一台设备交互，但现在更大的系统都在它的控制之下。尽管运营商仍有工作要做，但运营管理将是他们的下一个前沿领域。从一个控制台管理整个操作将在未来得到发展。”

前所未有的过去，无拘无束的未来

人力资源管理系统有着丰富多样的过去，但业界预计会有更多的增长。InduSoft的Gadbois说道:“我们已经走了很长的路。“我们认为过去的变化是神奇的，但看看现在发生的事情。这种进化几乎是可怕的。”

倍福的Eisel指出，如今的工业使用了广泛的彩色TFT液晶显示器。“触摸屏技术很普遍。由铝或钢制成的工业硬化控制面板和面板pc配合丰富的HMI软件图形创建动态操作界面。宽屏幕很常见，许多HMI供应商都提供全高清分辨率。”

根据罗克韦尔自动化公司的Burrows的说法，下一个进化阶段将发现操作界面与控制器变得不可分割。“它们仍然是独立的引擎，但未来，控制器和操作界面将成为一个系统，使用一个数据库。控制器是所有数据到达HMI的起点。它正在成为工厂的服务器。当中间没有计算机时，当可视化嵌入到控制环境中时，它会更强大。”

可以说，影响当前HMI系统最重要的变化之一是多点触控技术的兴起。Beckhoff的Eisel说:“具有集成多点触控功能的系统已经可用。“显示器使用投射式电容触摸屏(PCT)，以确保工业兼容性。其高接触点密度，为工业用户提供准确可靠的操作。可以戴工作手套操作。此外，智能手机和触摸板熟悉的功能，如缩放、滚动、物体旋转和点击，也可以过渡到工业应用中。”

罗克韦尔自动化公司(Rockwell Automation)的Burrows将苹果iPad等设备视为“房间里的大大猩猩”。它为未来的可能性设定了愿景:无线、移动、云计算、数据集成。我并不是建议iPad应用于工业领域，但它确实为未来的可能性设定了愿景。”

萨博眼中的下一个前沿是“虚拟化”的快速扩展，这是一种客户端-服务器HMI架构。Szabo说:“具有IT支持的高可用性服务器的业务模型，以及在整个设施中部署的高度分布式瘦客户机，现在是工厂车间的自动化模型。”其好处包括硬件更新优化、低风险升级和扩展、提高安全性以及降低生命周期成本。”

然而，也许最大的改变不是来自设备，而是来自人。英维思的Krajewski说:“做每周或每月评估的经理在某种程度上掌握了组织盈利能力的脉搏，但在人机界面上实时看到事情的操作员有更好的看法。现代人机界面可以瓦解决策过程，将决策降低到员工的层面，而员工是最有影响力的人。”

栏:文化挑战:人力资源管理人员在不断变化的劳动力

强大的，不断发展的人机交互系统21^圣世纪正在为工厂车间和其他地方带来新的能力。相反，劳动力的21^圣世纪对人机界面提出了新的要求。这是有原因的。罗克韦尔自动化集成架构市场开发总监Mike Burrows表示，随着越来越多的数据被实时收集和处理，与这些数据打交道的工作人员必须做出更多、更快的决策。为了充分地做到这一点，员工需要理解这些决定。这是一个教育上的挑战。拥有更多实时信息正在改变我们的工作方式，也为HMI增加了机会。”

目前的制造业环境，其复杂的hmi需要更多的劳动力。然而，值得庆幸的是，现代员工正日益适应文化挑战，并做好了应对的准备。如今进入制造业的男性和女性拥有的技能与过去的工人不同。他们不仅准备好接受已经发展的新技术，而且无法想象没有这些技术的工作场所会是什么样子。英维思HMI监管部门的产品管理总监约翰•克拉耶夫斯基(John Krajewski)这样称呼他们数字原生代．“他们对自己使用的设备有一定的期望，”他说。

PcVue北美总经理Emmanuel Ecochard补充道，到目前为止，人机界面的发展主要是由技术发展推动的。“如今，它更多地受到终端用户需求的推动。今天的终端用户熟悉技术，并希望它在工作场所。事实上，今天的工人希望在工厂里有和日常生活中一样的经历。”

罗克韦尔自动化可视化软件业务经理Scott A. Miller认为，同样，制造商也比过去更容易接受技术，这主要是由于他们的消费设备体验。他说:“他们更适应技术变革和快速变化的速度。”他肯定劳动力的人口结构正在影响并将继续影响HMI的发展。“拥抱新技术的年轻劳动力正在介入并期待它。用户体验将是未来的关键要求。”

InduSoft负责业务发展的副总裁Marcia Gadbois对此表示赞同。“我的孩子们认为老鼠已经过时了，”加德布瓦说。“当他们长大后，他们将期望在日常生活中有一个丰富的、可视化的3D环境，这将包括工作场所。年轻员工希望在工作场所找到ipad、平板电脑和平板电脑。他们看老式电脑就像看恐龙一样。如今的大学毕业生已经不记得没有微软windows系统的日子了。”

今天的新兴劳动力都从事消费电子产品，不管你喜不喜欢，这是当今工业HMI变革的主要驱动力。倍福自动化公司技术支持经理Nathan Eisel表示:“工程师在家中使用的设备最终会影响他们对人机交互技术的期望。可以肯定的是，未来出现的任何主要交互技术最终都会进入机器、制造和加工的人机界面，无论是硬件还是软件。”

随着人力资源管理系统在复杂程度和复杂性上的发展和扩展，管理层和员工都需要知道如何使用它们，无论它们以何种形式出现。如果当今以设备为导向的文化有任何迹象，那么它们将迎接挑战。

侧边栏:hmi的发展简史

大约在过去的30年里，由于技术的快速发展以及制造设施和管理人员的需求，工业与机器和设备之间的通信机制发生了巨大的变化。下面的简史概述了影响这一演变的一些重大事件和发展。

20世纪80年代——按钮、灯、表盘、仪表、先出指示器和电子管占主导地位。

这段时间的特点是通过在大墙上绘制pfd(工艺流程图)并添加表示罐位、压力、流量、温度和其他参数的仪表和指示器来监控过程。

20世纪80年代至90年代中期——DCS(分布式控制系统)公司专有的MMI(人机界面)仅用于控制室使用。

PLC制造商使用专有的OITs(操作员接口终端)进行机内控制。

20世纪90年代中期，个人电脑进入了竞技场。

pc被引入制造业，但需要实时OS(操作系统，如QNX)。配置工具从私有硬件迁移到PC平台上的私有硬件。微软推出Windows操作系统;Windows NT进入字段。

平台迁移到工厂地面受几个因素的驱动;MMI硬件与传统的MMI硬件形成竞争。

DCS控制台迁移到Microsoft Windows;Wonderware、intellitor和类似的公司推出了改变游戏规则、独立于平台的系统集成软件。hmi的关注点从硬件转向了软件。

90年代中后期。

以太网进入市场并打开了无边界连接的大门。

21世纪之交。

适合在危险区域亮相的显示器;

DCS专注于HMI软件和控制PC规格;

从无源矩阵到有源矩阵的改变消除了重影;

多种触摸屏技术的发展，受应用、环境条件的驱动;

从KVM(键盘、视频、鼠标)扩展器迁移到瘦客户端架构;

基于led的LCD面板延长背光寿命，增加日光能见度的亮度;

在消费者电视技术的推动下，宽屏系统被引入。

2010年至今。

多点触控、视频技术进入市场;

平板电脑、智能手机和其他移动设备承担了由消费者市场和精通技术的劳动力需求驱动的HMI角色。

引入术语“可视化”来描述HMI功能的扩展和增长。

引入术语“虚拟化”来描述用于自动化的客户机-服务器体系结构，作为降低硬件刷新率和促进工厂扩展的一种方法。

此时间轴的信息由倍加富公司业务发展经理路易斯·萨博。访问倍加福的网站www.pepperl-fuchs.us。

边栏:远程控制，HMI/SCADA系统帮助可再生能源公司监控风力发电场涡轮机

风能是世界上增长最快的能源之一，也是美国国内巨大的电力来源。Iberdrola Renewables LLC是西班牙Iberdrola s.a.的美国分公司，是世界上最大的风能供应商之一，也是北美第二大风能供应商。自2000年以来，该公司一直从事全球能源业务。

该公司位于俄勒冈州波特兰的国家控制中心帮助公用事业公司实现能源组合的绿色化。该中心全天候工作，帮助客户管理天然气和发电行业的风险和不确定性，同时用清洁、可持续的电力满足能源需求。该公司于2001年开业，在20个州维护、开发、建造和运营超过3500兆瓦的风力发电和其他能源设施。它的目标是每年增加大约1000兆瓦的新可再生能源，这一数量超过了该国任何其他可再生能源供应商的能力。

该中心位于一个看起来像美国宇航局任务控制中心的房间里。系统分析师监督全国各地风电场的涡轮机，监测每一个的性能和效率。该中心的职责是密切关注即将到来的风暴，警告现场的技术人员在恶劣天气到来之前前往安全地带。那里的分析人员还帮助科学家在风电场进行开创性的野生动物研究，而其他人则帮助国家各种输电系统运营商确保电网可靠性，在任何情况下都能保持供电。

控制中心有效运行的关键是PcVue，这是ARC Informatique开发的强大的HMI/SCADA系统。这套软件和硬件产品旨在显示、控制、管理和分析来自多个安装的信息。这个“神经中心”的功能之一是将风力发电场的所有组件连接到中央控制室，并进行远程操作和控制。它的职责包括风力塔涡轮机、变电站、气象站、鸟类/蝙蝠雷达和保护野生动物的监测系统。

该系统允许操作员监督所有风电场中所有涡轮机的行为。通过在预定的时间间隔内记录涡轮机的活动，该系统确定需要采取何种调整或纠正措施。它还记录能量输出、可用性和错误信号。此外，它有能力实施合规要求和控制其他参数，如功率因数、电压和无功功率生产，并管理风电场对网络电压和频率控制的贡献。此外，它还允许运营商根据实时电网需求管理电力输出。

管理涡轮机等等

在过去，只有少数风力涡轮机向电网输送能量，进入该行业相当容易。然而，最近风能供应商在平衡能源生产和可用的传输输入时，拥塞已成为一个问题。严格的要求使得Iberdrola设计了一个集成的系统，通过设定值来实时管理其发电配置。

风力发电场使用各种类型和制造的涡轮机，每个涡轮机都配备了自己的供应商安装的控制/HMI系统。PcVue HMI/SCADA控制系统的一个主要优势是它是涡轮供应商中立的。它不依赖于任何一个PLC供应商，因此能够提供独立于涡轮类型的数据报告和分析格式。强大、高性能的HMI/SCADA系统是为数不多的独立于PLC的系统之一，这一功能对Iberdrola Renewables LLC来说尤为重要，因为它使用了无数的涡轮机和PLC。

每个风力涡轮机都配有一个控制箱，安装在塔顶。它包含PLC、电源转换器、控制板和I/O设备。传感器检测风速、风向、轴转速和许多其他参数。数据被收集并传输到PLC，然后PLC向控制系统发出信号，调整电动偏航齿轮，以引导涡轮机获得最大发电量。控制盒通过光纤冗余环形以太网局域网连接到塔底座上，然后连接到远程控制系统，收集和管理所有数据;调整涡轮设置;支持智能告警、故障排除和智能上报。

OPC是系统用于从各种plc传输数据的主要通信协议。PcVue的OPC数据访问客户端和OPC DA XML客户端与通信服务器交换实时数据;OPC DA服务器便于与第三方应用程序进行数据交换。所有数据都被路由到控制中心。

操作员通过使用组、过滤器、排序、确认和屏蔽来配置告警行为。它们还创建警报计数器，并将特定操作与任何警报关联起来。操作员可以直接从模拟中确认警报，并且这些动作可以自动广播到网络上的所有节点。

位于俄勒冈州波特兰的Iberdrola Renewables的运营服务主管Harm Toren表示，该系统提供了一个单一的用户视图，允许从现有的无数系统中轻松地可视化显示和对PLC、HMI和涡轮机控制系统的整体管理。“因为除了控制和管理涡轮机，我们还要监测鸟类迁徙和天气，所以我们需要一个系统，它可以提供一个简单、易于阅读的GUI(图形用户界面)，这样我们就可以在接到通知后立即做出反应。”

一切尽在掌握之中

光纤网络和管理公司不断增长的业务的控制是最先进的。通过波特兰控制中心，该中心类似于该公司在西班牙托莱多的设施，该公司能够远程访问全国各地的设施以及所有警报和事件情况。多站配置管理使用HMI/SCADA系统的先进工具，以确保所有站的配置数据和部署一致。系统的集中配置提供了管理和跟踪应用程序版本和更改的功能。它还支持自动更新。每当网络上的一个站点启动时，控制系统就会自动对正在使用的应用程序版本进行一致性检查。

该控制中心能够为任何风能设施的所有者提供能源管理服务。目前，美国35座独立发电厂的风力发电量为3600兆瓦。Iberdrola控制系统维护2479台风力涡轮机，每个涡轮机有300至350个I/O数据点，或在20多个服务器上约70万至85万I/O数据点。为了处理农场的不同需求，系统警报是高度可配置的。邮件可以打印，在告警列表中查看，并存档。SCADA软件集成并连接风力涡轮机，作为PcVue应用程序的轻客户端，管理多达250万个数据元素。该配置为操作人员提供了有关涡轮信号的所有必要信息。

具有内置冗余特性的分布式客户机-服务器体系结构是一种容错设计，即使在组件发生故障时也能确保数据收集的连续性。PcVue还支持与现场设备和PcVue站之间的双网络通信。配置中的每个组件和每个站都有一个有效状态，使操作人员能够实时查看情况。客户端站通过OPC进行通信，冗余前端连接到1,000 Mbps TCP/IP以太网。每个前端最多可处理60000个I/ o。

监测分为两级，以处理大量信息(每台涡轮机约350个信号)，并促进设施的运行和维护。第一层提供了最相关的警报、值和计数器的概述，以在正常情况下监督涡轮机，并检测需要纠正的故障。第二层是更详细的一层，可根据要求触发，显示选定的数据，以便操作人员能够立即准确地诊断已发生的任何故障，并确定补救措施。接收到的数据可以被处理为设置点、历史记录、告警管理、趋势等。

未来系统的模型

Iberdrola喜欢这个系统有几个原因。“我们选择了PcVue软件系统，”Toren说，“因为它在Iberdrola的西班牙业务中已经被证明是用户友好的，功能强大。事实证明，它可靠、可扩展且易于配置。”

它还最大限度地降低了覆盖关键信息的风险，并有助于简化HMI/SCADA视图。为内容和行为创建模板的能力确保了模拟中所有动画的一致性。Iberdrola使用多级访问权限和与每个用户相关联的菜单，以确保应用程序中的导航是根据每个人的需求和权限量身定制的。这确保了更好的安全性、可追溯性和对用户操作的控制。

该系统运行良好，达到了Iberdrola Renewables的所有预期。该公司计划将该操作作为未来设施的标准模式，并期望它将成为其“开箱即用”的解决方案。该公司正致力于开发一个更可扩展的系统，以适应下一代可再生能源市场。托伦说:“我们正在安装风力涡轮机，以便与核能、太阳能和水电等其他能源协调运行，以优化性能。”“我们处在最前沿。”

关于此应用程序的信息由PcVue提供。有关该系统和公司的更多信息，请访问网站www.pcvuesolutions.com．有关Iberdrola Renewables的更多信息，请访问该公司网站iberdrolarenewables.us．

边栏:演进HMIs:从单机界面到企业可视化

在未来的人机界面中，按照英维思的愿景，HMI是内置核心服务的综合性企业可视化平台的智能中心。这扩大了公司中每个人(从运营商到ceo)可用信息的范围，扩展了信息传递的方法，使其与每个用户高度相关并具有针对性。

位于下方中间位置的HMI是访问周围显示器中显示的所有应用程序的主要点。从一个有利位置，操作员可以访问指向设备和区域、趋势图、kpi、培训和用户指南文档以及实时人员协作视频的摄像头。

当事件发生时，例如下面所示的警报，操作人员只需单击警报图标，每个屏幕就会立即调整以显示与当前问题相关的信息。

这种及时获取信息的方式将极大地扩展和促进员工之间的互动和协作，缩短决策时间，从而实现更高效、更有利可图和更敏捷的公司。

珍宁·卡泽尔，特约编辑控制工程．与她联络:jkatzel@sbcglobal.net．

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