新一代HMI的性能特点

2024-5-21

导读

INTRODUCTION

如果您正计划通过为所有显示器保持相同的设计，匆匆完成人机界面（HMI）或监控和数据采集（SCADA）系统软件的下一次升级，那最好还是再想一想。

文章信息

本文作者：Chris Parkinson，文章来自于控制工程中文版（CONTROL ENGINEERING China）2022年11-12月刊《技术文章》栏目：HMI 和 SCADA 的迁移：保留还是重新设计？由「控制工程中文版」原创首发。

图片来源：Polytron

自20世纪80年代问世以来，随着计算机在制造业中的日益普及，人机界面（HMI）已经取得了长足的进步，优化的工厂需要优化的HMI设计。

HMI的开发是为了让人类可以与 1970 年代引入的可编程逻辑控制器（PLC）进行交互，以取代硬连线继电器逻辑。在许多方面，PLC和HMI通过提供更大的灵活性、更好的控制和更多的洞察力，彻底改变了制造业。

不仅仅是技术得到快速发展，用户还学会了如何更有效地与之互动。按照“多多益善”的原则，这些信息和报警的数量越来越多，于是HMI被信息和报警淹没。我们不再满足于知道哪个变频器出现故障，还需要有机会通知用户，在可能的300多个变频器故障中，是哪一个导致了问题。

这些都是很好的信息，但很快就变得不堪重负，并导致了诸如警报管理和态势感知概念等举措，以更有效地将信息呈现给用户。在正确的时间向正确的人提供正确的信息这一概念是这些现代人机互动的基础。

大多数HMI仍然在平板显示器或监视器上运行，但我们已经开始看到下一代HMI的模样。增强现实（AR）和智能眼镜作为操作员界面已经出现在工厂车间，而且已被证明是成功的，其功能主要围绕维护和部件组装。随着这些技术的发展，逐步与人工智能（AI）和头戴式显示器相结合，在不远的将来，我们可能将不再需要显示器和监视器。

升级老旧的HMI系统

尽管看起来未来的HMI与当前的显示器和监视器不同，但我们仍需要利用当前可用的设计和技术来解决短期问题，使HMI更加用户友好。操作员与HMI有效交互的能力，直接影响其所控制的生产制造系统的生产率。

有很多过时的HMI系统正在监控生产制造活动，其中许多已经有几十年的历史了。在很多情况下的应对策略是：“它仍然有效。我们已经学会使用它了，最好别碰它。”

硬件和软件过时以及网络安全问题，通常是HMI升级的触发因素，还可以利用新技术带来的其它好处。就像有了智能手机，就没人想用翻盖手机。

▲未来的HMI可以为用户提供更多实时信息，从而做出更明智、更好的决策。

升级老旧的HMI系统，要重点考虑两个关键概念：

1.保持设计不变，但将其迁移至更新的硬件和软件。

2.重新设计HMI以解决已知问题，并利用更好的设计和最新技术。

可以为每种情况进行论证。通过翻盖手机与智能手机的类比，我们可以很容易地看到前一种方法具有改进的机会。还应注意的是，与HMI部署伊始相比，大多数制造商现在拥有不同的环境和员工。

最新一代的员工在移动设备、基于应用程序的解决方案以及无处不在的互联网访问（以快速找到解决方案）的陪伴下成长起来。

当今的制造环境，需要更少的劳动力、更高的机器和系统效率、更大的灵活性以及更高的生产率和质量目标，这就需要更高的HMI性能来支持这些需求。

新一代HMI的性能特点

利用最新技术的HMI现在可以支持更高级的功能，通常作为监控和数据采集（SCADA）系统甚至制造智能（MI）解决方案的一部分提供。新一代HMI可以支持和利用以下设计和功能：

1.移动性：现在，通过智能手机和平板电脑可以更方便地提供访问，而无需重新设计屏幕。在正确的时间，向正确的人提供正确的信息以支持更高效的员工队伍，这是关键所在。更广泛的访问，也拓宽了参与系统维护的受众。不在现场的专家也可以提供来自远方的丰富经验。新冠疫情证实了远程参与的有效性。

2.记分板：在关键操作台上添加大型平板显示器，使操作员可以快速看到需要解决的问题，而无需亲往HMI尝试找到描述问题的屏幕。

3.无纸化：以前的表单、电子表格和其它手动数据跟踪机制，现在可以更容易地得到数字支持。在工厂车间仍然使用有纸化办公可能真的没什么必要。

4.控制室：随着劳动力越来越少，操作员都需要管理更多自动化设备，控制室等概念则允许操作员一次更有效地监控多个系统。分布式控制室的概念提供了两全其美的优势：提供了多个系统的概览，并具有将其掌握在不断移动的员工手中的灵活性。

5.态势感知：这种HMI设计理念允许操作员在灰度背景上使用自定义的颜色编码，显示可操作信息，以突出需要注意的事项。这一理念是将数据转化为可操作信息的基本范式转变。

6.报警管理：任何偏离可接受范围的报警都会让操作人员不堪重负，以至于他们会忽略报警。开发优先级以区分可操作警报和信息警报，应该是任何HMI重新设计的一部分。

HMI设计标准化的优势

HMI标准化是有效利用现代设计的核心概念。标准化涉及图形标准、命名惯例和应用程序设计概念等，例如一致的外观和观感，以提高车间的效率。这是应用易于识别的视觉效果来提高生产力的最佳做法。随着标准化在企业规模上的应用，总体效益成倍增长。

在系统和机器层面，标准化提供了一致性，以提高用户对期望运行方式的信心。例如，每次使用时，返回主菜单的按钮都应布置在同一区域。如果在不同屏幕的位置不同，则会导致混乱和效率低下。此外，如果很少访问的设备的控制，与频繁访问设备的控制相同，那么用户将有一个如何与它们交互的基本概念。

使得在现场不同制造系统之间移动的人员，不管分配的任务如何，都能了解控件如何工作。制造系统之间一致的控制，有利于运行人员更无缝地在多个系统上高效工作。此外，维护也得益于跨系统一致的故障排除功能。例如，A线上的电机故障报告和重置方式，与B线上的电机完全相同。一致的HMI系统，减少了对新运行和维护人员培训的工作量。

HMI标准化的最大好处来自于企业层面。在站点之间移动的工作人员知道如何更效地进行操作和排除故障。培训和文档也变得更加高效。从开发的角度来看，具有经验证的最佳实践的运营可以在整个企业中利用解决方案。

例如，工厂A可能有更多的工艺经验，而工厂B有更多的包装经验。工厂A可以利用两个站点的工艺解决方案，而工厂B可以利用包装解决方案。标准化允许两个工厂共享解决方案，并最大限度地提高多个站点的能力。结果是一个无缝的工作流程，让员工以更高的绩效水平运行。

▲一个好的人机界面应该易于使用，并随时为用户提供态势感知。

标准化的人机界面还有助于快速轻松地进行变更或更新培训，并且使新员工培训在整个员工队伍中保持一致。标准化人机界面的3个重要优势是：

1.提高生产率：HMI系统的易用性和功能性，将提高整体设备效率和劳动力生产率。更新后的控制系统使生产中的启动、停止、故障排除和变更变得更容易。

2.易于理解的技术：除了提高运行人员的生产效率，其它任务也得到了改进。可以简化培训、故障排除和生产线的变更。训练有素的生产线操作员，可以随时走近HMI，轻松了解特定生产阶段的情况。应用编程标准使得用户可以通过HMI更深入地了解控制，以接收有关工况的更多信息。

3.成本效率：通过降低设备问题解决和变更所需的停机时间，提高操作员、维护和工程人员的生产效率，快速实现HMI标准化的投资回报。

重要的是要专注于功能、外观良好的高效HMI设计。华丽的动画和软件在HMI演示中可能看起来令人印象深刻，但它们对HMI的有效性并没有贡献。事实上，它们减慢了操作员对设备和信息的导航速度。将数据转化为可操作的信息才是 HMI 的最佳实践。

呈现信息而不仅仅是数据

先进的软件和硬件技术，为下一代HMI提供了呈现信息而不仅仅是数据的机会。它为用户提供了大量数据，但挑战在于使用时提取可操作的信息。

HMI的灵活性可以将信息传递到车间的任何位置，而车间的大型平板显示器或记分板，可以将信息提供给需要的用户。用户可以一目了然地了解生产线的运行情况，显示故障、警告、质量问题以及已确定的关键性能指标（KPI）和生产目标。该实时信息允许操作员做出适当的决定和变更，以达到预期目标。

其它交互式界面设备，如智能手机和平板电脑，也可以连接到企业中任何需要的地方，向需要的人提供定制和标准化的可操作信息视图。

智能手机提供了一个了解KPI、关键故障和质量问题的窗口，从而能够做出更高级别的决策，从而实现卓越的整体运营。

平板电脑可提供用于诊断和故障排除的移动无线HMI。使用平板电脑作为故障排除工具，将HMI放在技术人员需要的地方，通常在工厂车间，并且始终在移动中。

改进工作流程的4种方法

工作流程软件为HMI提供了逻辑扩展。HMI提供了一个“这是正在发生的事情，这里出错了”的视图。共享工作流程，提供了关于报警或质量问题的根本原因所处位置的信息，以及为纠正该问题而采取的措施。在新一代HMI中增加标准化工作流程，将运营效率提升到了一个新的水平。

工作流程可以通过几种不同的方式应用：

1.标准操作程序：精简并发送一致的信息，说明应如何完成工作。

2.更换和机器设置：跟踪关键的计划停机事件，并在不生产时提供反馈以提高效率。

3.在线参考和文件：在适当的时间和地点提供相关参考信息；通过快速参考、单点课程和交互式教程补充培训。

4.故障纠正：提供机器停机、质量问题和性能偏差的故障排除程序。

从工作流程中收集的数据提供了一个记录了何时发生何种情况的电子记录，以确保遵循程序。这有助于实现一个闭环的持续改进计划。

在智能HMI的支持下，通过配备并主动广播信息，运行和技术人员可以自信地无缝地在设施中移动，从而将生产保持在最高水平。

工作流程通过提供对标准程序、故障排除指南和有价值的参考资料的实时和相关访问来增强培训。关键故障和质量问题的自动上报，可确保在合适的时间通知合适的人员采取合适的行动。

新一代HMI为运行和技术人员创造了一个环境，使他们能够跟上生产制造的步伐，并展望未来，帮助企业做出对长远发展更有益的决策。

关键概念：

■ 标准化 HMI 带来的优势包括：提高生产率、易于理解的技术和成本效率。

■ 利用最新技术的 HMI 可以支持更高级的功能。

■ 新一代 HMI 创造了一个环境，让运行和技术人员可以跟上生产制造的步伐。

思考一下：

您如何升级 HMI 和 SCADA 系统，效果如何？

THE END

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